CN109731222A - 可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，包括用于调节训练参数和评估训练程度的上位机单元；用于输出电刺激信号及获取神经电信号的康复训练装置；用于贴附到受损部位的半植入式微电极；该上位机单元与康复训练装置通过无线连接，该康复训练装置与接口连接器通过耳机插头连接，柔性连接器与半植入式微电极中的金手指接口通过翻盖式连接器连接，半植入式微电极直接作用于小动物的相应受损功能区。本发明具有如下的有益效果：结构简单，电极柔性连接；多导联可编程电刺激输出，训练方案实时可调；高信噪比神经电信号实时采集，刺激同时记录；智能康复评估，可以根据获取到的神经电信号客观的评估电刺激康复训练结果。

Description

可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置及其使用 方法

技术领域

本发明涉及基础研究领域，尤其涉及一种用于小动物运动功能康复训练与评估实验的系统及其使用方法，属于神经科学技术领域。

背景技术

神经肌肉电刺激(Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES)是一项应用20-50Hz低频电流通过电极刺激特定肌肉群使其抽搐或者收缩，继而达到"功能"修复的技术。相比于功能性电刺激，NMES则更侧重于引起肌肉收缩而作为一种训练或者物理治疗。调整相关的参数，NMES可以达到较少疲劳和最优力学输出的目的，那么，对参数设置的充分了解可以实现预定的功能康复效果，并且保证病人的安全。频率，脉宽，强度，作用时间等都是所需要探究的重要参数。因此在基础研究领域，科研人员通过建立小动物模型，利用分立设备搭建实验环境，设计实验范式，进行以NMES为主要手段的运动功能康复训练。

经检索并未发现能够实现可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置的相关专利。中国专利CN201610204212—“用于小型动物运动控制的电刺激系统及其使用方法”，提供了一套用于小型动物的电刺激系统且主要用于生物机器人运动控制，这与实现运动功能康复训练与评估的目标并不一致。其他大量已公开的运动功能康复训练与评估装置都是针对人体开发的机械互动装置而非针对小型动物的物理实验装置。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其结构简单，电极柔性连接，不会对小动物的正常运动造成负担；多导联可编程电刺激输出，训练方案可根据使用者的实验需求决定且实时可调；高信噪比神经电信号实时采集，可在刺激的同时记录到同一位置的神经电信号；智能康复评估，可以根据获取到的神经电信号客观的评估电刺激康复训练结果。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明提供了一种可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其包括：

用于调节刺激参数和评估训练程度的上位机单元；

用于输出电刺激信号及获取神经电信号的康复训练装置；

用于贴附到受损部位的半植入式微电极；

用于连接康复训练装置和半植入式微电极的柔性连接器；

所述上位机单元与所述康复训练装置通过无线通讯连接，所述康复训练装置与所述接口连接器通过耳机插头连接，所述柔性连接器与所述半植入式微电极中的所述金手指接口通过翻盖式连接器连接，所述半植入式微电极直接作用于小动物的相应受损功能区。

作为优选方案，所述上位机单元包括如下任意一种模块：

-无线检索及连接模块；

-参数配置模块；

-采集显示模块；

-评估报告模块；

所述无线检索及连接模块用于扫描所述康复训练装置产生的节点信号及进行连接,可以是WiFi协议、蓝牙协议和红外协议中的任意一种；所述参数配置模块用于配置所述康复训练装置驱动电刺激输出；所述采集显示模块用于无线获取刺激位置的神经电信号并实时显示；所述评估报告模块用于客观评估小动物康复训练后的功能恢复情况。

作为优选方案，所述康复训练装置包括控制芯片模块、电源管理模块、功耗管理模块、WiFi连接状态指示模块、训练驱动模块、信号采集模块及安全保护模块，所述控制芯片模块用于驱动其他各种模块工作；所述电源管理模块用于提供电源，所述功耗管理模块、所述WiFi连接状态指示模块、所述训练驱动模块、所述信号采集模块与所述控制芯片模块独立的连接；所述安全保护模块与所述训练驱动模块连接，用于电刺激安全控制。

作为优选方案，所述训练驱动模块的输出通道数量为十六路。

作为优选方案，所述训练驱动模块的驱动方式为恒压或恒流驱动。

作为优选方案，所述训练驱动模块的模式为单相模式、双相对称模式或双相非对称模式。

作为优选方案，所述训练驱动模块的参数包括频率、幅值、脉宽、持续时间和电极点位。

作为优选方案，所述信号采集模块的输入通道数量为十六路。

作为优选方案，所述柔性连接器一端采用耳机插头，一端采用5pin、间距为0.65mm的翻盖式连接器，中间为柔性屏蔽式连接线。

第二方面，本发明提供了一种可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置的使用方法，其包括如下步骤：

S1：将所述半植入式微电极的可植入部分植入到小动物的受损肌肉部位；

S2：启动所述康复训练装置，启动所述上位机单元，通过无线搜索和配对，将康复训练装置和上位机单元无线连接；

S3：通过所述柔性连接器将所述半植入式微电极和所述康复训练装置连接，在所述上位机单元中设定训练模式、刺激参数和信号采集参数，并通过所述康复训练装置进行电刺激输出和神经电信号采集；

S4：启动所述上位机单元中的所述评估报告模块，生成康复训练后的评估报告，将评估报告与预期效果进行比较，若评估报告与预期效果不符，则重新调整训练模式与刺激参数，直至评估报告与预期效果相符为止，记录相应的参数配置。

本发明的工作原理为：使用者通过所述上位机单元的所述无线搜索和连接模块来让计算机或移动端与所述康复训练装置建立连接，通过所述柔性连接器将所述康复训练装置和所述半植入式微电极相连接，通过模式选择和参数配置调节刺激与采集参数，采集到的受损部位神经电信号实时传输到所述上位机单元进行显示与存储，完成刺激训练后，由所述上位机单元给出康复评估报告，最终实现小动物运动功能康复训练与评估。

与现有技术相比，本公开的发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

（1）结构简单，电极柔性连接，不会对小动物的正常运动造成负担；

（2）多导联可编程电刺激输出，训练方案可根据使用者的实验需求决定且实时可调；

（3）高信噪比神经电信号实时采集，可在刺激的同时记录到同一位置的神经电信号；

（4）智能康复评估，可以根据获取到的神经电信号客观的评估电刺激康复训练结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置的结构示意图；

图中：1-半植入式微电极；2-柔性连接器；3-康复训练装置；4-上位机单元。

图2为图1中半植入式微电极的示意图；

图中：2.1-电极点位；2.2-金手指接口。

图3为图1中柔性连接器的示意图；

图中：3.1-翻盖式连接器；3.2-柔性屏蔽式连接线；3.3-耳机插头。

图4为图1中康复训练装置的结构图。

图5为图1中上位机单元的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。如图1所示的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，包括半植入式微电极（1）、柔性连接器（2）、康复训练装置（3）和上位机单元（4），其特征在于：所述上位机单元（4）与所述康复训练装置（3）通过无线通讯连接，所述康复训练装置（3）与所述柔性连接器（2）通过耳机插头（3.3）连接，所述柔性连接器（2）与所述半植入式微电极（1）中的所述金手指接口（2.2）通过翻盖式连接器（3.1）连接，所述半植入式微电极（1）直接作用于小动物的相应受损功能区。

作为优选方案，所述上位机单元（4）包括如下任意一种模块：

-无线检索及连接模块；

-参数配置模块；

-采集显示模块；

-评估报告模块；

所述无线检索及连接模块用于扫描所述康复训练装置产生的节点信号及进行连接,可以是WiFi协议、蓝牙协议和红外协议中的任意一种；所述参数配置模块用于配置所述康复训练装置驱动电刺激输出；所述采集显示模块用于无线获取刺激位置的神经电信号并实时显示；所述评估报告模块用于客观评估小动物康复训练后的功能恢复情况。

作为优选方案，所述康复训练装置（3）包括控制芯片模块、电源管理模块、功耗管理模块、WiFi连接状态指示模块、训练驱动模块、信号采集模块及安全保护模块，所述控制芯片模块用于驱动其他各种模块工作；所述电源管理模块用于提供电源，所述功耗管理模块、所述WiFi连接状态指示模块、所述训练驱动模块、所述信号采集模块与所述控制芯片模块独立的连接；所述安全保护模块与所述训练驱动模块连接，用于电刺激安全控制。

作为优选方案，所述训练驱动模块的输出通道数量为十六路。

作为优选方案，所述训练驱动模块的驱动方式为恒流驱动。

作为优选方案，所述训练驱动模块的驱动模式为双相对称模式。

作为优选方案，所述训练驱动模块的参数包括频率、幅值、脉宽、持续时间和电极点位。

作为优选方案，所述信号采集模块的输入通道数量为十六路。

作为优选方案，所述柔性连接器（2）一端采用耳机插头（3.3），一端采用5pin、间距为0.65mm的翻盖式连接器（3.1），中间为柔性屏蔽式连接线（3.2）。

另外，本发明提供了一种可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置的使用方法，其包括如下步骤：

S1：将所述半植入式微电极（1）的所述电极点位（2.1）植入到小动物的受损肌肉部位；

S2：启动所述康复训练装置（3），启动所述上位机单元（4），通过无线搜索和配对，将所述康复训练装置（3）和所述上位机单元（4）无线连接；

S3：通过所述柔性连接器（2）将所述半植入式微电极（1）和所述康复训练装置（3）连接，在所述上位机单元（4）中设定训练模式、刺激参数和信号采集参数，并通过所述康复训练装置（3）进行电刺激输出和神经电信号采集；

S4：启动所述上位机单元（4）中的所述评估报告模块，生成康复训练后的评估报告，将评估报告与预期效果进行比较，若评估报告与预期效果不符，则重新调整训练模式与刺激参数，直至评估报告与预期效果相符为止，记录相应的参数配置。

更具体地，可通过如下优选的方式使用所述可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置：

1. 将麻醉小鼠置于手术台上，备皮消毒局部皮肤，选取要植入的肌肉，打开皮肤，暴露肌肉，将消毒后的所述半植入式微电极（1）的所述电极点位（2.1）贴于肌肉表面，缝合皮肤并固定电极；

2. 长摁开启所述康复训练装置（3）开关，在所述上位机单元（4）中的所述无线搜索及连接模块中点击搜索按钮，列表中显示所述康复训练装置（3）的WiFi节点名称，输入密码显示连接成功；

3. 通过所述柔性连接器（2）将所述半植入式微电极（1）和所述康复训练装置（3）连接，在所述上位机单元（4）中设定训练模式；选择刺激参数，包括通道、频率、幅值、脉宽、持续时间和信号类型；选择信号采集参数，包括通道、增益和采样率；点击配置按钮确认；

4. 训练完成后，在所述上位机单元（4）中单击所述评估报告模块，软件自动生成本次康复训练的评估报告至桌面。若评估报告与预期效果不符，则重新调整训练模式与刺激参数，直至评估报告与预期效果相符为止，软件自动记录相应的最优参数配置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，包括：

用于调节刺激参数和评估训练程度的上位机单元；

用于输出电刺激信号及获取神经电信号的康复训练装置；

用于贴附到受损部位的半植入式微电极；

用于连接康复训练装置和半植入式微电极的柔性连接器；

所述上位机单元与所述康复训练装置通过无线通讯连接，所述康复训练装置与所述接口连接器通过耳机插头连接，所述柔性连接器与所述半植入式微电极中的所述金手指接口通过翻盖式连接器连接，所述半植入式微电极直接作用于小动物的相应受损功能区。

2.根据权利要求1所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，所述上位机单元包括如下任意一种模块：

-无线检索及连接模块；

-参数配置模块；

-采集显示模块；

-评估报告模块；

所述无线检索及连接模块用于扫描所述康复训练装置产生的节点信号及进行连接,可以是WiFi协议、蓝牙协议和红外协议中的任意一种；所述参数配置模块用于配置所述康复训练装置驱动电刺激输出；所述采集显示模块用于无线获取刺激位置的神经电信号并实时显示；所述评估报告模块用于客观评估小动物康复训练后的功能恢复情况。

3.根据权利要求1所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，所述康复训练装置包括控制芯片模块、电源管理模块、功耗管理模块、WiFi连接状态指示模块、训练驱动模块、信号采集模块及安全保护模块，所述控制芯片模块用于驱动其他各种模块工作；所述电源管理模块用于提供电源，所述功耗管理模块、所述WiFi连接状态指示模块、所述训练驱动模块、所述信号采集模块与所述控制芯片模块独立的连接；所述安全保护模块与所述训练驱动模块连接，用于电刺激安全控制。

4.根据权利要求3所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，所述训练驱动模块的输出通道数量为十六路。

5.根据权利要求3所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，所述训练驱动模块的驱动方式为恒压或恒流驱动。

6.根据权利要求3所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，所述训练驱动模块的驱动模式为单相模式、双相对称模式及双相非对称模式。

7.根据权利要求3所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于，所述训练驱动模块的参数包括频率、幅值、脉宽、持续时间和电极点位。

8.根据权利要求3所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于：所述信号采集模块的输入通道数量为十六路。

9.根据权利要求1所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置，其特征在于：所述柔性连接器一端采用耳机插头，一端采用5pin、间距为0.65mm的翻盖式连接器，中间为柔性屏蔽式连接线。

10.一种如权利要求1~8中任意一项所述的可编程小动物运动功能康复训练与评估实验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将所述半植入式微电极的可植入部分植入到小动物的受损肌肉部位；

S2：启动所述康复训练装置，启动所述上位机单元，通过无线搜索和配对，将康复训练装置和上位机单元无线连接；

S3：通过所述柔性连接器将所述半植入式微电极和所述康复训练装置连接，在所述上位机单元中设定训练模式、刺激参数和信号采集参数，并通过所述康复训练装置进行电刺激输出和神经电信号采集；

S4：启动所述上位机单元中的所述评估报告模块，生成康复训练后的评估报告，将评估报告与预期效果进行比较，若评估报告与预期效果不符，则重新调整训练模式与刺激参数，直至评估报告与预期效果相符为止，记录相应的参数配置。