CN109843373A - 包括自动痉挛控制的功能性电刺激测力计 - Google Patents

Abstract

本发明控制FES测力计的刺激水平和脚踏车骑行节奏，以防止脊髓损伤或其他神经受损患者发生痉挛或使其最小化。

Description

包括自动痉挛控制的功能性电刺激测力计

技术领域

本发明涉及用于使患有神经损伤的个体康复的功能性电刺激(functionalelectrical stimulation，FES)系统。更具体地，本发明涉及利用个体肌肉的机械刺激和电刺激的装置。

背景技术

脊髓损伤的患者通过骑行FES测力计获得了很大的益处。然而，当患者的肢体开始运动和/或在疗程开始时施加刺激，许多患者经受肌肉痉挛。这种痉挛常常阻止患者骑行达几分钟，直到痉挛消退。这可能导致耽误患者和治疗师/护理者的时间，并导致患者从FES测力计获益减少。

目前使痉挛最小化的技术包括：

1、在骑行之前伸展患者的腿。这种方法的问题在于费力，且并不总是能达到预期的效果。

2、使治疗师在施加刺激时观察患者，并且当患者显示出痉挛的早期迹象时手动防止刺激增加。这种方法的问题在于，当患者骑脚踏车时，需要训练有素的治疗师。这并不总是实际的。

3、将FES测力计设置为非常缓慢地增加对受试者的刺激水平，以便患者的肌肉适应该刺激。该解决方案的问题在于需要训练治疗师来知晓如何为已知存在痉挛的患者设置FES测力计。另一个问题在于，由于刺激缓慢增加，所以患者需要花费更长的时间获得FES脚踏车骑行的最大益处。患者可能仅偶尔经受痉挛，在这种情况下，当患者没有经受痉挛时，更快地增加刺激是更好的。

发明内容

根据本发明，提供了一种功能性电刺激装置，其具有左肢支撑件和右肢支撑件，其中两个肢支撑件均连接到主驱动马达，该主驱动马达使肢支撑件以往复运动的方式移动；左肢支撑件连接到左肢支撑件伺服马达，并且右肢支撑件连接到右肢支撑件伺服马达，其中右肢支撑件伺服马达和左肢支撑件伺服马达中的每一个使得其相应的肢支撑件绕轴线旋转。该装置还具有：控制单元，该控制单元连接到左肢支撑件伺服马达和右肢支撑件伺服马达，并且控制所左肢支撑件伺服马达和右肢支撑件伺服马达的致动。控制单元还可以包括附连到皮肤贴附电极的功能性电刺激引线，该功能性电刺激引线向患者的肌肉传递电刺激。

该装置还包括：自动痉挛控制系统。该自动痉挛控制系统包括监测器，该监测器连续监测旋转左肢支撑件和右肢支撑件中的一者或两者所需的扭矩；和控制器，该控制器被配置为计算扭矩的变化率，并计算最大电刺激、最大刺激增加速率、最大伺服马达速度和最大伺服马达增加速率。

根据进一步的实施例，功能性电刺激系统具有两个驱动臂。该两个驱动臂将主驱动马达连接到所述左肢支撑件和所述右肢支撑件中的每一个，该驱动臂可选地具有用于在不同的附连位置处连接到对应的右曲柄和左曲柄的各种附连点。根据进一步的实施例，肢支撑件通过相应的左曲柄和右曲柄附连到驱动臂。

根据本发明进一步的实施例，该自动痉挛控制系统的控制器被配置为：当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过预定值时识别可能的痉挛发作，并且当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过该预定值时将当前电刺激水平与所计算的最大刺激进行比较，将当前曲柄速度与所计算的最大曲柄速度进行比较，以及将指令发送到连接到左肢支撑件伺服马达和右肢支撑件伺服马达的控制单元以及功能性电刺激引线，以降低电刺激的量和曲柄速度。

根据本发明进一步的实施例，提供了一种治疗性肌肉锻炼装置，其具有：脚踏车骑行基座，该脚踏车骑行基座被配置为接受受试者的上肢或下肢并帮助受试者锻炼其肌肉；该脚踏车骑行基座具有第一肢支撑件和第二肢支撑件，其中，所述肢支撑件由控制器控制的马达驱动或抵抗，该装置还包括功能性电刺激控制器，其中，功能性刺激控制器、第一肢支撑件和第二肢支撑件以及脚踏车骑行基座被配置为帮助受试者移动其上肢或下肢；该装置还包括自动痉挛控制系统，该自动痉挛控制系统包括监测器，该监测器被配置为连续监测旋转左肢支撑件和右肢支撑件中的一个或两个所需的扭矩，该控制器配置为计算扭矩的变化率、最大伺服马达速度和最大伺服马达增加速率，所述功能性电刺激控制器配置为计算最大电刺激、最大刺激增加速率。

根据本发明进一步的实施例，控制器管理对受试者肌肉的等长功能性电刺激(isometric functional electrical stimulation)。

根据本发明进一步的实施例，提供了一种锻炼受试者的四肢的方法，包括：将受试者的四肢放置在本文所述装置的肢支撑件中，将电刺激电极放置在受试者的四肢上，以及锻炼受试者的四肢。

根据本发明进一步的实施例，该锻炼步骤包括：通过围绕肢支撑件枢轴点旋转肢支撑件来主动地帮助受试者移动其四肢。

根据本发明进一步的实施例，该方法包括：通过等长功能性电刺激帮助受试者锻炼其四肢。

根据本发明进一步的实施例，该方法包括：增加肌肉电刺激并减少马达辅助。

根据本发明进一步的实施例，电刺激引起协调的肌肉收缩，并且肢支撑件不驱动旋转。

根据本发明进一步的实施例，该方法包括增加马达辅助和减少电刺激。

根据本发明进一步的实施例，自动痉挛控制器被配置为：当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过预定值时识别可能的痉挛发作，以及当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过该预定值时，将当前曲柄速度与所计算的最大曲柄速度进行比较，并且该电刺激控制器被配置为将当前电刺激水平与所计算的最大刺激进行比较。

附图说明

本发明优选实施例的以下描述参照附图，其中：

图1示出了Restorative Therapies的RT300^TM功能性电刺激脚踏车骑行系统，在RT300^TM的控制器中安装有本发明的自动痉挛控制系统。

具体实施方式

通过参照以下描述、附图和下面列出的权利要求，可以更好地理解上面概述的本发明。下面这种使得本领域技术人员能够实施本发明的实施例描述，并不旨在限制优选实施例，而是用作其特定示例。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用所公开的构思和具体实施例，作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其他方法和系统的基础。本领域技术人员还应该认识到，这种等效组件不脱离本发明的最广泛形式的精神和范围。虽然本文在RT300-SLSA脚踏车骑行系统的背景下描述了本发明，但是它可以与任何FES系统(包括美国专利第8,905,951和9,511,256号中描述的系统，所述专利的公开内容以其整体并入本文)结合使用。

如图1所示，本发明的一个实施例包括治疗性肌肉锻炼装置100，其用于治疗可能患有手臂和/或腿的部分或全部麻痹的患者。装置100包括安装在移动支撑件103上的脚踏车骑行基座105。

脚踏车骑行基座105具有第一肢支撑件108和第二肢支撑件109。可以预期，在一些实施例中，可包括单个肢支撑件以便于治疗失去肢体的受试者。每个肢支撑件108和109分别通过第一旋转臂114和第二旋转臂115附连到脚踏车骑行基座。

旋转臂114和115在肢支撑件枢轴点130和131处附连到肢支撑件108和109。该构造允许受试者的脚像自然地进行脚踏车运动时那样正常旋转。旋转臂在基座枢轴点140处连接到脚踏车骑行基座105。在优选实施例中，基座枢轴点140包括穿过通道的轴，所述通道延伸穿过基座；该轴将第一旋转臂114的基端连接到第二旋转臂115的基端。在这样的实施例中，该轴然后围绕基座枢轴点140均匀地旋转。在其他实施例中，旋转臂114、115可以在基座枢轴点140处连接到两个可独立旋转的轴，从而允许肢支撑件108和109彼此独立地旋转。

脚踏车骑行基座105还包括两个小腿支撑件148、149。在一些实施例中，小腿支撑件148和149通过附连连杆153、154连接到肢支撑件108和109。在其他实施例中，小腿支撑件148和149可以不连接到肢支撑件108和109。

装置100还包括功能性电刺激控制器175。控制器175管理通过一系列引线159提供给受试者肌肉的电脉冲，所述引线159通过引线电缆156连接到控制器175。控制器175还对控制旋转臂114和115的旋转速度的马达(未示出)进行控制。控制器175根据受试者需要的水平，结合通过引线159的功能性电刺激，调整旋转臂114和115的旋转。在一些情况下，控制器175将结合电刺激引导旋转臂114和115的完全运动，从而产生完全的FES诱发的运动。在替代方案中，控制器175可以减少由马达和电刺激提供的辅助水平，以允许受试者的自主运动。在其他实施例中，控制器175将不提供任何辅助，以允许受试者在没有辅助的情况下旋转肢支撑件108、109。控制器175根据受试者的需要和用户的指导提供这种辅助。

同样地，腕部和手部支撑件208和209可以被设置并配置成在基座枢轴点240处附连到旋转臂214和215，并且随后附连到腕部和手部支撑件208和209。

在一个实施例中，提供了一种用于锻炼受试者的四肢的方法。根据该实施例，系统以设定的速度连续旋转，并且它辅助或抵抗患者的气力。患者的气力是自主的或者由FES诱发的。在该方法的第一步中，系统的马达移动受试者的四肢，并且控制器提供初始的肌肉电刺激。该第一步可以称为预热步骤。在称为主动转换的后续步骤中，控制器增加肌肉电刺激并减少马达辅助，直到肌肉接管肢支撑件的运动或达到100％刺激阈值。在称为主动步骤的后续步骤中，当旋转臂114和115(和/或214和215)围绕枢轴点140(和/或240)转动时，电刺激引起协调的肌肉收缩，从而使受试者的肌肉进行脚踏车骑行运动。在枢轴点140(和/或240)处连接的旋转臂114和115(和/或214和215)的组合在本文中也称为曲柄。一旦达到和/或控制器检测到肌肉疲劳，则减少电刺激并且脚踏车骑行基座的马达接管以进行脚踏车骑行运动。在称为缓和的最终步骤中，马达完全接管脚踏车骑行运动，以使得受试者的肌肉休息，同时允许在运动范围内的移动。

根据另一实施例，本发明的自动痉挛控制特征监测从治疗疗程的开始移动患者的手臂或腿所需的扭矩量。该系统还监测测力计曲柄每次旋转所需扭矩的变化模式和变化率或平滑度。本发明的自动痉挛控制系统使用所需扭矩的增加以及所需扭矩的平滑度的降低，来检测肌肉张力并检测是否发生肌肉痉挛。

对于检测到的每个肌肉张力的量，本发明的自动痉挛控制系统设定最大刺激水平、最大刺激增加速率、最大曲柄速度和曲柄增加速率。如果发生完全肌肉痉挛，则自动痉挛控制系统禁止马达旋转曲柄一段时间，然后再次尝试开始治疗疗程。

以下示例跟随患者开始腿部治疗疗程，并且刺激水平增加。如果患者经历痉挛的发作，辅助腿部旋转所需的扭矩将开始波动，自动痉挛控制系统将检测到扭矩的波动。类似地，如果患者开始表现出高肌肉张力，则辅助腿部曲柄旋转所需的马达扭矩将增加，并且自动痉挛控制系统将检测到这种增加。在任一种情况下，自动痉挛控制系统将计算最大刺激水平和适当的脚踏车骑行节奏，以防止肌肉张力增加或发展成肌肉痉挛。

如果当前治疗的刺激水平比所计算的适合于防止肌肉张力增加或发展成痉挛的最大刺激水平高，则自动痉挛控制系统将使刺激水平相应地降低。同样地，如果当前的腿部治疗节奏在当前比防止肌肉张力增加或发展成痉挛的最大脚踏车骑行节奏快，则自动痉挛控制系统将使节奏速率降低。

相反，如果当前刺激水平低于所计算的最大刺激值，则系统将计算适合于防止肌肉张力增加或发展成肌肉痉挛的最大刺激水平增加速率。该系统将允许刺激水平以不大于该最大刺激水平增加速率的速率增加。

如果节奏低于所计算的最大脚踏车骑行节奏值，则系统将计算适合于防止肌肉张力增加或肌肉痉挛发生的最大速度增加速率。该系统将允许节奏以不大于所计算的最大速率的速率增加。

如果肌肉张力继续增加，则所有这些最大水平将进一步降低。这可以使患者的肌肉适应该刺激，使得肌肉张力最终降低。随着肌肉张力降低，系统将增加所有这些最大水平。一旦不存在肌肉张力或存在最小的肌肉张力，系统就不会施加任何限制。此时，FES治疗疗程将继续使用其预设的刺激水平和节奏参数。

如果检测到的肌肉张力不随时间降低，表明肌肉不适应规定的节奏或刺激水平，则自动痉挛控制系统将慢慢地允许更高的节奏和刺激水平。这使得患者即使表现出肌肉张力也能进入主动脚踏车骑行。在这种情况下，检测到的肌肉张力很可能不是由痉挛引起的，而是由例如牵张反射的其他因素引起。根据本发明的各种不同实施例，系统可以就痉挛和牵张反射适当地调节节奏和刺激水平。

已经参照优选实施例描述了本发明。虽然已经出于描述本发明构思的目的阐述了具体的值、关系、材料和步骤，但是本领域技术人员将理解，在不脱离广泛描述的本发明的基本构思和操作原理的精神或范围的情况下，可以对具体实施例所示的本发明进行多种变化和/或修改。应该认识到，根据上述教导，本领域技术人员可以在不脱离本文所教导的发明的情况下修改那些细节。现在已经完全阐述了优选实施例和本发明下的构思的某些修改，本领域技术人员在熟悉这些基本构思之后，显然会想到各种其他实施例以及本文所示和所述的实施例的某些变化和修改。旨在包括所有这些修改、替代和其他实施例，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内即可。因此，应该理解，本发明可以不同于本文具体阐述的方式实施。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (13)

1.一种功能性电刺激装置，包括：左肢支撑件和右肢支撑件，其中，肢支撑件均连接到主驱动马达，所述主驱动马达使所述肢支撑件以往复运动的方式移动；所述左肢支撑件还连接到左肢支撑件伺服马达，并且所述右肢支撑件连接到右肢支撑件伺服马达，其中所述右肢支撑件伺服马达和所述左肢支撑件伺服马达中的每一个使得其相应的肢支撑件绕轴线旋转；控制单元，连接到所述左肢支撑件伺服马达和所述右肢支撑件伺服马达，并且控制所述左肢支撑件伺服马达和所述右肢支撑件伺服马达的致动，其中，所述控制单元还包括附连到皮肤贴附电极的功能性电刺激引线，并且其中所述贴附电极将电刺激输送到患者肌肉，所述装置还包括自动痉挛控制系统，所述自动痉挛控制系统包括：监测器，配置为连续监测旋转所述左肢支撑件和所述右肢支撑件中的一个或两个所需的扭矩；和控制器，配置为计算所述扭矩的变化率并计算最大电刺激、最大刺激增加速率、最大伺服马达速度和最大伺服马达增加速率。

2.根据权利要求1所述的功能性电刺激系统，还包括：两个驱动臂，将所述主驱动马达连接到所述左肢支撑件和所述右肢支撑件中的每一个，其中所述驱动臂包括用于在不同的附连位置处连接到对应的右曲柄和左曲柄的各种附连点。

3.根据权利要求2所述的功能性电刺激系统，其中，所述肢支撑件通过相应的左曲柄和右曲柄附连到所述驱动臂。

4.根据权利要求1所述的功能性电刺激系统，所述自动痉挛控制系统的所述控制器还配置为：当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过预定值时识别可能的痉挛发作，并且当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过所述预定值时将当前电刺激水平与所计算的最大刺激进行比较，将当前曲柄速度与所计算的最大曲柄速度进行比较，以及将指令发送到连接到所述左肢支撑件伺服马达和所述右肢支撑件伺服马达的所述控制单元以及所述功能性电刺激引线，以降低电刺激的量和曲柄速度。

5.一种治疗性肌肉锻炼装置，包括：脚踏车骑行基座，配置为接受受试者的上肢或下肢并帮助受试者锻炼受试者的肌肉；所述脚踏车骑行基座包括第一肢支撑件和第二肢支撑件，其中，所述肢支撑件由控制器控制的马达驱动或抵抗，所述装置还包括功能性电刺激控制器，其中，所述功能性刺激控制器、所述第一肢支撑件和所述第二肢支撑件以及脚踏车骑行基座配置为帮助受试者移动其上肢或下肢；所述装置还包括自动痉挛控制系统，所述自动痉挛控制系统包括监测器，所述监测器配置为连续监测旋转所述左肢支撑件和所述右肢支撑件中的一个或两个所需的扭矩，所述控制器配置为计算所述扭矩的变化率、最大伺服马达速度和最大伺服马达增加速率，所述功能性电刺激控制器配置为计算最大电刺激、最大刺激增加速率。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器管理对受试者肌肉的等长功能性电刺激。

7.一种锻炼受试者的四肢的方法，包括：将受试者的四肢放置在权利要求5所述的装置的肢支撑件中；放置在受试者的四肢上，并锻炼受试者的四肢。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述锻炼步骤包括：通过围绕肢支撑件枢轴点旋转所述肢支撑件，主动地帮助受试者移动受试者的四肢。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：通过等长功能性电刺激帮助受试者锻炼受试者的四肢。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括增加肌肉电刺激并减少马达辅助。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电刺激引起协调的肌肉收缩，并且所述肢支撑件不驱动旋转。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括增加马达辅助和减少电刺激。

13.根据权利要求5所述的装置，所述控制器还配置为：当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过预定值时识别可能的痉挛发作，以及当所监测的扭矩量或扭矩变化率超过所述预定值时，将当前曲柄速度与所计算的最大曲柄速度进行比较，并且所述电刺激控制器配置为将当前电刺激水平与所计算的最大刺激进行比较。