CN110337265B - 用于改善外周神经功能的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了用于感知电刺激外周神经系统以改善人体运动功能和表现的方法和装置。方法和装置可用于增强运动员、专业人员和游戏者的身体表现，或者改善患有由中风、创伤性脑损伤和其它神经系统或非神经系统疾病引起的神经缺陷和损伤的患者的运动功能(手、手指和肢体运动)。这些装置和方法可以通过周期性或持续的感觉电刺激来用于身体训练和心理训练(以改善记忆和包括运动协调、肢眼协调、职业和娱乐技能的功能表现)。治疗计划可以基于生物标记，并且可以单独使用或与其它装置组合使用。学习和反馈技术根据患病患者和健康用户中的受试者的神经和运动功能个性化治疗参数。

Description

用于改善外周神经功能的方法和装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2016年11月15日提交的名称为“用于改善外周神经功能的方法和装置”的美国临时专利申请62/422,432的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
援引加入
本说明书中提及的所有出版物和专利申请均通过引用整体并入本文，其程度如同每个单独的出版物或专利申请被具体和单独地指出通过引用并入。
技术领域
本文描述和说明了用于电刺激外周神经以改善外周神经功能的方法和装置(包括设备、算法和系统)。这些方法和装置可以被配置成修改大脑中的皮质控制，由此可以增强外周神经功能。
背景技术
外周神经刺激(PNS)具有治疗慢性神经疾病或病症的潜力。体感电刺激(SES)呈涉及感觉神经的调节的PNS的形式。SES在帮助调节运动功能方面显现出了希望。但是，由于临床疗效的巨大差异，其尚未被纳入临床实践。
中风代表了非常常见的神经疾病。中风后的运动障碍主要是由于手或腿功能受损以及手指灵活性和运动/活动能力丧失。美国中风的年发病率约为70万，其中一半的中风幸存者患有长期运动障碍。虽然目前的康复方法已帮助个体恢复功能，但仍有大量患者在中风后继续出现慢性上肢和/或下肢功能障碍和残疾。手和手指功能受损是导致这种残疾的重要因素。完成日常生活活动需要人手功能；人手功能也是职业技能和社会融合所必需的。
本领域需要新的方法来恢复手和手指的灵活性并减轻中风后的残疾。
发明内容
本文总体上描述了用于对外周神经系统进行感觉电刺激以改善外周神经功能(例如，运动功能和表现)的方法和装置(包括设备、算法和系统)。这些方法通常包括以非兴奋的方式刺激一个或多个神经，并且对于接受电刺激的受试者几乎不可察觉或不可察觉；当使用受刺激的外周神经和/或诸如包括脑电图(EEG)数据的生物标记的指示时，可以由用户调节该刺激和/或可以经由基于受试者表现的量度或指示的反馈来连续或重复地/迭代地调节该刺激。在任何这些方法和装置中，可以包括训练任务(例如，游戏、视频游戏、手动灵活性游戏等)，并且训练任务可以在刺激周期期间或之后(例如，紧接在之后或在少于5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟、30分钟、35分钟、40分钟、45分钟、50分钟、55分钟、60分钟(例如，30分钟)之内)执行。例如，本文描述了用于通过对施加的刺激进行闭环控制以改善受试者的外周神经功能的装置(例如，设备、系统等)。
例如，一种装置可以包括：第一输入装置，所述第一输入装置包括以下项中的一个或多个：生物标记监测器和表现指示输入器；刺激器，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、在功能上联接到所述第一输入装置的控制器，其中，所述控制器被配置成对外周神经施加电刺激和测量以下项中的至少一个：生物标记或来自对所述电刺激被施加到的外周神经进行激活的任务的表现指示；其中，所述刺激器被配置成重复地施加电刺激，并且基于以下项中的一个或多个调节所述电刺激：测量到的生物标记和表现指示。
如本文将描述的，生物标记监测器通常可以包括被配置成检测来自受试者的生物标记的任何传感器或传感器组合。例如，生物标记监测器可以包括用于检测生物电势的一个或多个电极，所述生物电势例如为肌电图(EMG)、电眼图(EOG)、脑电图(EEG)等。例如，这些装置中的任何一个可以将一个或多个电传感器(例如，EMG传感器等)包括为生物标记监测器的一部分。生物标记监测器可以与刺激器分开，或者其可以与刺激器联接或组合。例如，施加电刺激的相同电极可用于检测/感测受试者中的电活动，包括受试者的外周神经中的电活动。生物标记监测器可以包括脑电图(EEG)传感器或肌电图(EMG)传感器(或两者)。控制器(和/或生物标记监测器)可以被配置成测量大脑的运动皮层中的EEG/功率谱密度或尖峰场相干性的变化。控制器(和/或生物标记监测器)可以被配置成测量EEG的δ或θ波部分的变化。
表现指示输入器可以是任何适当的表现指示输入器，并且可以被配置成接收来自在运动任务中检测患者表现和/或接收自主报告的表现数据的任何装置(或可以包括作为表现指示输入器的一部分)的输入。例如，可以处理表现指示，以通过表现报告设备输入到装置。表现报告设备例如可以是被配置成接收来自受试者的表现指示数据的控制台。控制台被配置成基于手指个性化来测量表现度量或者对在基于游戏的测试中的表现进行评级。
通常，表现数据可以是粗略或精细运动任务中患者表现的量度或估计。例如，表现数据可以包括操作被连接到表现报告设备的工具(例如，键盘、操纵杆、切换、按钮等)的患者表现的度量或估计。表现报告设备可以包括一个或多个处理器，其被配置成在执行任务时测试和/或评分或监测患者，所述任务包括认知和/或运动任务。表现报告设备可以被联接到表现指示输入器，或者可以是本文描述的任何设备的一部分。表现报告设备可以包括显示器(视频)和输入(操纵杆、键盘等)，并且可以包括输出，所述输出可以连接到表现指示输入器。例如，表现指示输入器被配置成接收来自游戏控制台的输入。
通常，表现指示可以包括客观和主观指示。例如，表现指示可以包括患者自我报告的表现指示，并且可以是定性的(好/坏，更好/更差)或定量(例如，缩放、0-10、1-100等)。
本文提供了刺激器的示例。刺激器可以包括以下项中的一个或多个：触觉反馈器，运动传感器，被配置成确定受试者的身体的一部分的位置的位置传感器等。刺激器可被配置为可穿戴刺激器，其被配置成佩戴在受试者的手臂和/或手腕(例如，并且被配置成对受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个施加刺激)。刺激器可以包括封装控制器和无线通信电路的壳体，以及被配置成将壳体抵靠受试者的身体固定的外壳。刺激器可以包括以下项中的一个或多个：光学输出，振动触觉输出，或听觉输出。
如下面将更详细描述的，这些装置中的任何装置可以包括与刺激器通信的训练系统，该训练系统被配置成在施加电刺激之前或施加电刺激期间给用户提供训练。
可以使用任何适当的电极(表面式、植入式等)。例如，电极可以被配置成透皮地施加电刺激。电极可以包括可植入电极。
刺激器可以包括一个或多个控制器。例如，控制器可以被配置成通过调节以下项中的一个或多个来调节电刺激：强度，电流幅值，频率，持续时间，工作循环，时间/天数，脉冲持续时间，突发频率，突发持续时间，或总治疗期。
通常，本文描述了通过对施加的刺激进行闭环控制来治疗受试者的方法。这些方法可以是治疗性治疗(例如，对中风、步态功能障碍、脑损伤、泌尿系统疾病等的治疗)或非治疗用途。例如，治疗受试者的方法可以包括：对肌肉组织施加透皮电刺激；测量受试者的生物标记和/或表现指示；基于生物标记或表现指示调节透皮电刺激；并重复施加透皮电刺激、测量生物标记和/或表现指示和调节透皮电刺激的步骤。
例如，本文描述的方法和装置可以被配置成刺激桡神经、尺神经和正中神经(和/或其它外周神经)和改进大脑中的皮质控制，这可以增强运动员、专业人员和游戏玩家的身体表现，或者改善由中风、创伤性脑损伤和其它神经系统或非神经系统疾病引起的神经功能缺损和损伤恢复的患者的运动功能(手、手指和肢体运动)。可以从训练任务(或游戏)和/或从单独的评估任务(或游戏)或时段获取一个或多个表现度量。表现度量可以包括总体运动(例如，震颤)和/或协调运动(例如，运动速率、运动精度、手指力矩的独立控制等)的量度。
还描述了用于通过周期性或持续的感觉电刺激进行物理训练和心理训练(以改善记忆和包括运动协调、肢眼协调、职业和娱乐技能的功能表现)的设备和算法。该设备和方法使医生和用户能够控制他们的刺激参数并基于一种或多种生物标记个性化他们的治疗计划。该方法和设备可以单独使用，或者与能够进行患者特异性或个性化训练的其它设备和系统组合使用。学习和反馈技术根据在患病患者和健康用户中的受试者的神经和运动功能来个性化治疗参数。
本文描述的装置的任何实施例可以包括或结合有(或可以排除)本文描述的任何其它装置的一个或多个特征，和/或可以被配置成执行本文描述的任何方法。
例如，本文描述了通过对施加的刺激进行闭环控制以改善受试者的外周神经功能的方法，该方法包括：对外周神经施加电刺激；测量以下项中的至少一个：生物标记或来自对所述电刺激被施加到的外周神经进行激活的任务的功能表现指示；基于以下项中的一个或多个调节电刺激：测量到的生物标记和表现指示；以及，重复施加电刺激、测量生物标记或功能表现指示和调节电刺激的步骤。
一种通过对施加的刺激进行闭环控制以改善受试者的外周神经功能的方法，所述方法可以包括：对外周神经施加电刺激持续超过10分钟，其中，所述电刺激是亚感觉或接近亚感觉的；执行涉及对所述外周神经进行激活的训练任务；测量以下项中的至少一个：来自所述受试者的生物标记和来自所述训练任务的表现指示；基于测量到的生物标记和表现指示中的至少一个来调节所述电刺激；以及，每天至少重复一次对外周神经施加电刺激、执行涉及对所述外周神经进行激活的训练任务、测量所述受试者的生物标记和来自所述训练任务的表现指示中的至少一个：以及基于测量到的生物标记和表现指示中的至少一个来调节所述电刺激的步骤，持续数天。
可以经皮(例如，通过皮肤)地或通过一个或多个植入电极或粘性贴片电极(在皮肤表面上)施加电刺激。施加电刺激可以包括对以下项中的至少一个施加电刺激：桡神经、尺神经和正中神经。例如，施加电刺激可以包括对正中神经和尺神经(或仅正中神经，或仅尺神经)施加电刺激。
这些方法中的任何一种可以包括将可穿戴式透皮刺激器设置在受试者的手臂和手中的一个或多个上。例如，施加电刺激可以包括从可穿戴式腕带、贴片或智能手套施加电刺激。
测量受试者的生物标记和表现指示中的至少一个可以包括测量生物标记和表现指示两者。例如，测量生物标记可以包括测量受试者的脑电图(EEG)，其包括测量大脑的运动皮层中的EEG/功率谱密度或尖峰场相干性的变化，和/或测量EEG的δ或θ波部分的变化。
在这些方法和装置中的任何一个中，测量表现指示可以包括基于手指个性化来确定表现度量。例如，测量表现指示可以包括对在基于游戏的测试中的表现评级，所述表现例如为按钮按压速度、单个按钮按压速度、按压精度等。
通常，本文描述的任何方法可以包括执行涉及正被刺激的外周神经的正常生物“激活”(例如，使用)的训练任务。例如，当刺激支配手指的神经时，训练和/或评估时段和/或任务可以包括使用手指。可以在施加电刺激期间或之后立即执行训练任务。
通常，可以调节施加的电刺激以增加或优化治疗功效。该调节通常是闭环的，基于来自受试者的外周神经(或多个外周神经)的反馈和/或来自正被刺激的外周神经控制或支配的身体部分。调节可以是连续的(例如，基于每次刺激期间或之后的反馈)或周期性的(基于1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、12、15、20等或更多的刺激疗程之后的反馈)。如上所述，调节可以基于一个或多个指示，包括生物标记(例如，EEG信号)或表现度量。可以调节电刺激参数的任何适当部分，包括以下项中的一个或多个：强度，电流幅值，频率，持续时间，工作循环，时间/天数，脉冲持续时间，突发频率，突发持续时间，或总治疗期。例如，调节电刺激可以包括增大刺激的强度。
通常，刺激可以限于亚感觉或接近亚感觉的刺激，使得受试者感觉不到(或几乎感觉不到，包括少于70％的时间、60％的时间，50％的时间、40％的时间等能够感觉到)。因此，这些方法和装置中的任何一个可以被配置成基于受试者反馈将刺激强度维持为亚感觉或接近亚感觉。例如，该方法或装置可以包括用户输入或接收用户输入，以在施加外周刺激时如果刺激令受试者兴奋或反感，降低刺激的强度(例如，幅值、频率等)。
这些方法中的任何一种都可以涉及通过对施加的刺激进行闭环控制以改善受试者的手部运动神经功能的方法。例如，一种方法可以包括将透皮电刺激施加到受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个；测量受试者的脑电图(EEG)；基于测量到的EEG调节透皮电刺激；并重复施加电刺激、测量EEG和调节电刺激的步骤。
具体而言，这些方法中的任何一种都可以适于对症从中风或其它疾病中恢复的患者进行治疗。例如，通过对施加的刺激进行闭环控制以改善正从中风恢复的受试者的手部运动神经功能的方法可以包括：对受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个施加透皮电刺激；测量受试者的脑电图(EEG)；基于测量到的EEG的δ波或θ波分量调节透皮电刺激；并重复施加透皮电刺激。测量EEG和调节透皮电刺激的步骤。
通常，在任何这些方法中，重复步骤(例如，施加、测量和调节电刺激)可以重复两次或更多次，例如3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次等或更多次，或持续进行。
具体而言，本文还描述了改进受试者在涉及手指个性化的手动任务上的表现的方法。例如，这些方法中的任何一种可以包括：对受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个施加透皮电刺激；执行涉及手指个性化的手动训练任务，并基于手指个性化来估计表现度量；以及，基于表现度量调节透皮电刺激；以及，重复施加透皮电刺激、执行手动训练任务和调节透皮电刺激的步骤，持续数天。这些方法可以尤其(但不是唯一地)有助于训练或改善涉及手部协调的游戏(例如，视频游戏)的表现。
本文还描述了用于执行本文描述的任何方法的装置，其可以包括系统、设备、软件、硬件、固件等。例如，本文描述了用于改善受试者的外周神经功能的闭环装置，其包括：刺激器，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、被配置成从电极传递电刺激的控制器和无线通信电路，其中电刺激具有一组刺激参数；生物标记监测器；以及在其上存储有程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述程序使处理器：利用所述生物标记监测器测量生物标记，以及基于测量到的生物标记调节所述刺激参数，以及将经调节的刺激参数发送到所述刺激器。
刺激器可以佩戴在上肢或下肢或腹股沟区域的任何地方，并且可以是可穿戴式腕带、贴片、智能手套、智能鞋垫或腿脚镯。
包括刺激器装置的这些装置中的任何装置可以包括一个或多个触觉反馈器，诸如振动反馈、压力/压缩反馈、温度(冷/热)反馈等。包括刺激器装置的这些装置中的任何装置可以包括一个或多个传感器，包括但不限：于一个或多个运动传感器、位置传感器(例如，被配置成确定受试者的身体的一部分的位置)等。
刺激器可以是可穿戴刺激器，其被配置成佩戴在受试者的手臂和/或手腕上，并且被配置成将刺激施加到受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个。刺激器可以是智能鞋垫，其可以被设置在受试者的鞋内，并且对受试者的腿或脚神经中的一个或多个施加刺激。刺激器也可以是脚镯，其可以设置在受试者的腿部周围，并且对受试者的腿部神经中的一个或多个施加刺激。可被刺激的下肢神经包括股神经、坐骨神经、下臀神经、臀上神经、阴部神经、隐神经、深腓神经、腓浅神经、腓神经、胫神经、足底外侧神经、足底神经、适当的足底数字神经和足背侧数字神经。
在这些装置中的任何一个中，刺激器可以包括封装控制器和无线通信电路的壳体，以及被配置成将壳体抵靠受试者的身体固定的外壳(例如，一个或多个电极，其可以布置在壳体的外表面上)。
在本文描述的任何装置中，尽管电刺激可以是有意的亚感觉的，但是该装置可以包括提供其正在打开和工作的直接(包括触觉或感觉)指示的输出。例如，电刺激器可以包括以下项中的一个或多个：光学输出，振动触觉输出，或听觉输出。该装置可以被配置(例如，控制器可以被编程)以在施加电刺激周期(电刺激发生的时间段)期间提供可变的输出。
如上所述，这些装置中的任何一个可以包括生物标记监测器。生物标记监测器可以包括用于检测生物电势的一个或多个电极，例如肌电图(EMG)、眼电图(EOG)、脑电图(EEG)等。例如，这些装置中的任何一个可以将一个或多个电传感器(例如，EMG传感器等)包括为生物标记监测器的一部分。生物标记监测器可以与刺激器分开，或者其可以与刺激器联接或组合。例如，施加电刺激的相同电极可用于检测/感测受试者中的电活动，包括受试者的外周神经中的电活动。
本文描述的任何装置还可以包括训练系统。该训练系统可以在电刺激之前、期间或之后给受试者提供训练方案(包括一个或多个训练游戏)。例如，这些装置中的任何一个可以包括与刺激器通信的训练系统，该训练系统被配置成在施加电刺激之前或期间或之后给用户提供训练。
通常，本文描述的装置可以包括控制逻辑，例如软件或固件(包括应用软件或“app”)，其控制装置的全部或一部分，并且可以协调刺激器的活动，包括设定和/或修改所施加的电刺激参数，和/或训练，和/或检测生物标记和/或检测表现度量。该软件或固件在此可被称为存储程序的非暂时性计算机可读存储介质，并且可以被配置成在计算机的处理器上操作，所述计算机包括可穿戴计算机(例如，智能手机的处理器、智能手表等)或手持设备，如平板电脑。
该控制逻辑(例如，软件)可以使处理器重复地测量生物标记，调节刺激参数并发送经调节的刺激参数。
例如，一种用于改善受试者的外周神经功能的闭环装置，其可以包括：刺激器，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、被配置成从电极传递电刺激的控制器和无线通信电路，其中电刺激具有一组刺激参数；训练装置；生物标记监测器，所述生物标记监测器包括脑电图(EEG)监测器；以及在其上存储有程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中所述程序使处理器利用生物标记监测器测量的EEG的δ波或θ波分量；并根据测量到的生物标记调节刺激参数；并将经调节的刺激参数发送给刺激器。
一种用于通过闭环电刺激来增强对涉及手指个性化的手动任务的表现的装置，所述装置包括：刺激器，所述刺激器适于佩戴在用户的手臂上、手上或者手臂和手上，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、控制器，其中，所述刺激器被配置成在所述用户佩戴所述刺激器时将电刺激从所述电极传递到所述用户的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个；在其上存储有程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述程序使处理器：提出涉及手指个性化的手动训练任务，基于所述手指个性化估计表现度量，基于所述表现度量调节所述电刺激，以及将经调节的刺激参数发送到所述刺激器。
通常，本文描述的方法可以在本文中被称为体感电刺激(SES)方法，并且这些装置中的任何一个可以包括或被称为SES系统。
附图说明
在随后的权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考以下详细描述和附图将获得对本发明的特征和优点的更好理解，所述详细描述阐述了利用本发明的原理的说明性实施例，在附图中：
图1示出了具有三个部件(反馈监测器或“生物标记”监测器、刺激器装置以及显示器，其各自可以无线地连接到其它部件)的通用体感电刺激(SES)系统，其可以用于治疗医疗或非医疗状况。
图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G和图2H示出了用于在刺激之前、期间或之后评估用户的EEG活动的不同实施例。EEG监测器可以呈能够在本文中使用的反馈监测器的一种形式。
图3示出了佩戴在用户手指上以评估手指运动的装置的一种变型的示例。
图4示出了闭环SES系统的一种变型的示意图，该系统还包括反馈(例如，通过一个或多个生物标记)。
图5示出了可在任务训练期间使用的手套的一个实施例。
图6A、图6B和图6C示出了可以刺激腕部的桡神经、尺神经和正中神经的腕带装置的示例。在图6A中，刺激手腕中的桡神经、尺神经和正中神经的腕带装置包括神经刺激电极、用于手/肢运动的传感器、电池和相关电子电路、以及用于连接到显示器和/或来自大脑的EEG生物标记信号的无线传感器。图6B和图6C示出了这种装置的其它变型。
图6D是类似于图6A至图6C所示的装置的电路图的示意图。
图7A至图7B示出了待佩戴在手腕上的装置的可选实施例，其包含用于施加如本文所述的刺激的电极。
图8A至图8C示出了呈能够设置在身体表面上的电子贴片形式的用于外周神经刺激的装置的其它示例。
图9示出了可用于通过游戏化训练精细运动(捏合、点击、个性化)技能的触摸屏。
图10至图13列出了各种状况、目标PNS部位和治疗计划，所述治疗计划包括可以用本文描述的装置治疗的训练和反馈。
图14列出了可能从PNS部位和可能有用的训练/反馈系统中受益的潜在用户组。
图15A列出了可以在本文描述的装置和方法中使用的刺激参数的示例。
图15B示出了可用于差异性地调节外周神经的感觉纤维类型和性质的实例。通常，可以滴定刺激参数的调节，以优化感觉纤维的刺激。已知混合的感觉运动神经包含具有不同作用的多种神经纤维；图15B中的表格示出了典型的纤维混合物。已知其还有不同的兴奋性；本文描述的方法和装置可以改变刺激参数，以最大化皮质调节。可以使用如本文所述的静息状态EEG、诱发的EEG响应以及运动任务参数来评估皮层调节。
图15C示出了用户对刺激的感知的增加的灵敏度。本文描述的装置和方法可以提供靶向A(β，γ)纤维的SES。选择性激活感觉神经的一个参数可以是电流的幅值；这在图15C中示出。示例性方案可以将刺激参数滴定在“确定感觉”到“仅感觉”(括号区域)以下之间。例如，如本文所述的装置可以基于来自用户的主观反馈来自动确定该刺激范围。同时地或随后，可以改变诸如强度、频率、脉冲持续时间以及突发模式参数的参数。
图15D示出了使用本文所述的任何装置和方法的刺激的突发模式的示例，其中刺激强度相对较高(例如，1000Hz)，但随后周期性地中断(例如，2-3Hz)。可以通过这种方法滴定A-β感觉纤维。本文描述的方法和装置可以进一步基于皮质参数来滴定参数(例如，在0.1-50Hz之间的暂停频率，在100-1000Hz之间的突发强度)。其它参数可以包括脉冲持续时间，其可以差别地影响感觉纤维。例如，60-150微秒的脉冲可能对感觉更有效，而150-200可能对运动更有效。本文描述的装置和方法可以将脉冲调节在25-500微秒之间，以最佳地滴定运动参数。
图16列出了可以评估并用于调整刺激参数的若干结果测量。
图17示出了用本文所述装置治疗的受试者的EEG的代表性变化(上图是在治疗之前，下图是在治疗之后)。
图18示出了经治疗的中风患者的手指耦合指数(FCI)的改善。
图19示出了用本文所述装置治疗的中风患者的运动学和临床结果测量结果。
图20A至图20C示出了临床研究中受试者的静息状态EEG功率的变化。
图21A至图21C分别示出了基于游戏的训练设施、手套和视频训练/测试的示例。
图22A至图22D示出了在中风患者的临床研究中的PNS结果。具体而言，附图示出了MAS(图22A)、eARAT(图22B)和FCR在SES之后的变化(图22C)以及FCR在SES+触觉反馈之后的变化(图22D)。
图23示出了使用触觉作为基于游戏的训练的一部分的手指运动的改善。组合治疗对手指运动(个性化的痕迹)的影响与SES+视觉(顶部为“仅视觉反馈”)与SES+视觉+触觉反馈(底部为”触觉+视觉反馈“)。
图24示出了使用PNS刺激会阴。
图25A至图25B和图26A至图26B示出了测量对PNS的响应的设备和系统。
具体实施方式
本文公开了闭环反馈系统的各种实施例，其中可以滴定SES参数以针对各个受试者定制参数。该系统的某些实施例旨在使用物理表现度量以及诸如EEG的神经生理学生物标记来优化SES。
现有神经动力学如何与外周刺激相互作用以及这种相互作用如何与EEG信息和运动恢复相关联是非常令人感兴趣的。数据表明，在SES之前和之后响应者和非响应者之间存在显著差异。令人感兴趣的是开发一种新颖的装置和算法，该装置和算法使用EEG来传递SES，以动态地改变治疗参数并且当在单次治疗或一系列治疗中功能表现(例如，中风患者的肢体运动和健康受试者的响应或反应时间)的最大增益和/或实现运动皮层的变化时自动终止刺激。本发明描述了克服这些限制的方法、装置、系统、疗法和算法。调节或修改皮质信号的能力给患者治疗的参数个性化提供了可靠的途径。
如下面进一步详细描述的，使用用于SES的TENS单元和用于实时数据处理的外部计算机对8名患者进行了测试。发现在大脑的对侧半球中的低频振荡(LFO，例如0.4-4；4-8；8-12Hz)由SES调节。重要的是，在SES之后的运动响应程度也可以在治疗后预测。因此，LFO可用于滴定SES刺激定时和剂量，例如使用一闭环装置，该闭环装置使用EEG信号来控制SES的程度和定时。
下面描述装置和方法的各个方面，包括目标神经和位置、系统、设备和实施例。
第一实施例包括至少具有如图1所示的三个部件的SES设备和/或系统。第一部件由生物标记监测器101组成，其用于监测在基线(之前)、刺激期间(周期)和刺激后(之后)的生物标记水平。传感器(或多个传感器)102可以是附接到头部的一个或多个电极(头骨的外部皮肤表面，或者身体内的其它生物标记反馈感测位置)或者结合到可以由健康受试者和患病受试者佩戴的智能帽103中。传感器信号可以是EEG电流的幅值和频率。
可以设想到用于设备的其它实施例和形式。生物标记监测器101可以是具有传感器的可移除粘性贴片，该传感器可以根据被测量的生物标记活动设置在身体上的不同位置。图2A至图2H示出了生物标记监测器101的可选实施例。生物标记监测器101可以被结合到眼镜框中，尤其是沿着臂的接触耳后皮肤的内接触表面，生物标记监测器101还可以被结合到具有能够设置在耳垂周围的钩具的耳塞/耳机中，其类似于蓝牙无线通信设备。在一些情况下，眼镜框可以提供有一次性导电膜。生物标记监测器101还可以被结合到覆盖耳朵、接触皮肤的音频头戴式耳机中。膜可以缠绕在框架表面周围(以改善电接触)并且可以在使用后进行处理。类似地，还可以监测大脑活动、神经活动和肌肉活动的其它测量，以用于生物标记反馈。
第二部件可以包括刺激器(治疗设备)110，其包括一个或多个电极111，该一个或多个电极111将电脉冲局部地传递到感兴趣的外周神经附近。可以激活一个或多个电极111以用于SES神经刺激，并且可以使用手动按钮机构或远程设备(智能手机或平板电脑)使用应用程序或软件程序来传递电脉冲。刺激器110可以集成到各种功能形式、设备或产品中，例如手套、腕带、臂带、脚镯、腿带、具有插设件以插设可再充电和可重复使用的(或者可选择的为用过即弃或一次性使用的)电刺激器的一次性贴片等。所提出的设备(手套、腕带或贴片)在佩戴期间必须舒适并保持与皮肤的良好电接触，以传递适当的刺激，而不会伤害或损伤皮肤。该设备可以结合附加的反馈传感器(或多个反馈传感器)112，以刺激和/或检测手部运动、手指运动，并测量运动/肢体功能，从而在SES治疗期间提供灵活性训练和触觉反馈。
刺激器部件还可以被结合到现有设备中，该设备监测生命体征，例如温度、心率和血压(例如iWatch或类似设备)或步行运动(计步器，如FitBit等)。刺激器可以附接到或者以其它方式连接到手表或健身带的任何或所有部分，包括显示部分、一个或多个带子和/或闩锁，只要刺激器被设置在皮肤或神经附近或其上。可以使用现有的显示器、通信和用户界面对刺激器进行集成和编程以应用各种治疗算法，从而来实现期望的功能表现。
反馈传感器112可以采用不同的形状和形式。其可以被结合到智能手套中。但是，对于手部运动受限的中风患者来说，戴上和取下手套会是困难的。为了克服这种限制，反馈传感器112可以被结合到可伸缩/弹性环(由聚合物制成)中，该可伸缩/弹性环结合有传感器并检测手和手指的运动。反馈传感器也可以呈弹性/可伸展的手指帽130(由聚合物制成)的形式，如图3所示，其结合有传感器以检测运动、响应时间和反应时间、速度等。可以佩戴多个环和帽以测量每个手指和/或肢体的个体运动。检测对SES刺激的反馈响应的这些反馈传感器可以无线地集成，以与SES刺激器或电子显示系统通信和/或交互。
第三部件可以包括显示系统120(在一些变型中，训练系统或训练和/或评估系统)，以使作为反馈而被监测、传递或捕获的所有信号可视化。来自大脑的生物标记EEG信号可以在刺激期间与SES刺激参数一起显示。可以显示在刺激期间或之后来自神经、肢体和脑功能的反馈。显示器可以是计算机屏幕、平板电脑屏幕或具有触摸屏控制的智能电话。另外，显示器上的触摸屏还可用于给健康受试者和患病受试者提供灵活性训练，以增强受试者表现/表现，所述表现/表现可以包括运动功能、运动协调、肢体运动、记忆等。显示系统120还可以包括界面，其用于控制刺激参数(如强度、频率、时间等)或选择预先指定的治疗算法。还可以基于患者疾病状况、对治疗的生物标记响应和对治疗的功能响应来自适应地开发治疗算法。SES刺激可以与训练/学习反馈一起进行或者通过训练/学习反馈进行。
在一些实施例中，显示系统120还可以包括视频游戏软件，以训练患者和健康受试者，从而增强其运动功能或技能水平。可以设想到不同的游戏来治疗肢体运动受限且患有神经缺陷的患者的腿或手的不同残疾。游戏可以根据患者的肢体运动程度适应个体患者。类似地，可以规定不同强度水平的不同游戏以改善游戏者、运动员和其它专业人员的表现和/或反应和/或响应时间。
可以集成到其它部件中的所有或一些部件的另一部件可以是连接软件和反馈电路，以形成闭环系统，从而监测和滴定剂量并优化训练。生物标记设备、刺激器和显示器可以通过电线连接或使用无线协议进行通信。另外，软件使得能在灵活性训练期间实现运动的实时反馈。反馈可以用于自适应学习和个性化SES参数的选择，并且用于滴定SES刺激的剂量(强度、定时、持续时间和工作循环)。还可以收集数据和信号并将其传输到电子健康记录(EHR)或电子病历(EMR)。
图4示出了具有用于治疗疼痛或其它病症的生物标记(EEG)设备和刺激器的闭环系统的另一实施例。可以测量受试者的静息EEG，并且可以针对EEG活动或运动功能、或运动反应等的改变传递SES并监测反馈信号。如果未达到目标水平范围或未激活期望的SES生物标记信号，则需要选择一组不同的刺激参数(强度、脉冲宽度、频率、时间等)，直到传递所需的疗法。可选择地，可以将设备重新定位到不同的神经位置，并且重复该过程直到实现期望的功效。
智能手套实施例
图5示出了系统的另一示例性实施例。在这种情况下，可穿戴数据手套201结合有手臂的三个外周神经的电刺激，所述三个外周神经即桡神经、中枢神经和尺神经。该设备包括双极电极202以及振动触觉反馈传感器203，以在灵活性训练期间提供关于对SES刺激和任务误差的响应(EEG或运动或运动)的实时反馈。该模块化单元还具有监测手指运动的能力(使用弯曲传感器204)、以一定频率范围电刺激所有三个神经的能力，并且能够基于对表现的实时监测来提供振动提示。该系统组合了可以为每个患者定制的自适应游戏环境。重要的是，该系统还能够让医生、物理治疗师和其它专业人员远程监测每位患者的康复轨迹。
智能鞋垫或袜子实施例
智能手套实施例可以适用于可以被插设到受试者的鞋子的智能鞋垫或者可以由受试者穿着的智能袜子，以刺激腿部的外周神经。类似于智能手套，护套或袜子包括双极电极、振动触觉反馈传感器、弯曲传感器等。两个实施例可以与自适应游戏环境组合并且针对每个受试者定制以增强他们的肢体表现。在健康受试者或运动员中，这可以改善他们的反应时间和跑步速度。在具有受损肢体功能的中风患者中，刺激可以帮助恢复肢体运动和功能。其它实施例，例如智能鞋，还可以包括传感器、刺激器和电子器件，以实现期望的SES并改善功能表现。
腕带实施例
图6A至图6D和图7A至图7B示出了被构造成包含上述各种元件的腕带的示例性装置的其它可能部件。在图1中。在图6A至图6D所示，腕带250结合有一个或多个电极255，所述一个或多个电极255用于单独地或共同地刺激臂的三个外周神经，即桡神经、中间神经和尺神经。该设备还可以包括双极电极以及振动触觉反馈传感器，以提供关于在灵活性训练期间对SES刺激和任务误差的手或动作或运动响应的实时反馈。该设备具有使用不同算法以一定范围的频率、强度和脉冲宽度单独或共同地电刺激所有三个神经以实现期望的表现的能力。可以制造类似的实施例以刺激身体的下肢和其它部位的神经。
腕带250由可伸缩的弹性聚合物制成，该弹性聚合物使得电极在刺激期间始终具有良好的皮肤表面接触。聚合物可以用导电凝胶和/或生物相容性材料浸渍，以保持良好的电接触并使皮肤敏感性最小化。聚合物包含所有电子电路，包括电极、无线传感器、刺激器和电池。其还可以具有微型控制台或电子显示器，以指示刺激开/关、电池电平和刺激参数。其还可以包含微型触摸板/按钮，以打开/关闭系统、选择刺激强度和选择用于SES刺激的算法。腕带装置的可选实施例可以在图7A至图7B看出。
该设备和系统可以与能够针对每个患者或受试者定制的自适应游戏环境组合。该系统可以具有允许受试者单独选择他们的刺激算法、调整治疗时间、每天、持续数天和持续数月收集和存储关于刺激参数和刺激持续时间的数据的能力。可以使用标准无线通信协议和标准将数据下载到计算机、平板电脑或智能电话上。另外，该设备还能够连接EMR/EHR，以便医生、物理治疗师和其它专业人员远程监测每位患者的康复轨迹或受试者的功能表现。
腕带实施例还可以适用于腿带或脚镯，其可以设置在腿表面上的不同位置以刺激腿的不同外周神经，例如坐骨神经、股神经、隐神经、胫神经、闭孔神经或腓神经。其可以与自适应游戏应用程序集成，具有智能垫以感测受试者运动、监测对刺激的反馈并滴定治疗参数。
电子贴片实施例
图8A至图8C示出了呈电子贴片形式的示例性设备和系统的其它实施例，其可以设置在身体表面上，与任何外周神经或神经相邻，并使用SES刺激它们。贴片使用生物相容性和/或生物传导凝胶和其它材料来粘附到身体，以发送电信号、监测神经活动、评估运动功能和其它感兴趣的人体功能参数。电子贴片包括一个或多个电极，以单独或共同地刺激不同的外周神经。该贴片与计算机、平板电脑或智能电话设备进行无线通信，以控制SES、获取反馈、收集数据、存储和开发自适应反馈，从而滴定剂量以获得治疗功效。
如图8A所示，SES装置可以被制造为可重复使用的集成系统，其包括用于刺激的贴片电极、用于产生电脉冲的电子器件、用于测量生物标记响应的反馈传感器、以及用于监测运动和功能表现的其它反馈传感器、电池和无线通信模块。在此，电极和刺激电子器件被集成为系统，贴片可以粘附到身体的不同部位的皮肤，以刺激神经和肌肉。例如，该设备可以设置在面部的三叉神经附近。可以启动刺激以使用装置中的反馈传感器或外部电子帽监测EEG生物标记响应，可以滴定刺激以实现期望的运动或功能响应。在给定的持续时间内传递亚感觉电刺激，收集数据，关闭SES装置，移除并且可能再次重复使用。该系统还结合有电源、无线接口和如上所述的其它一般特征。
图8B中示出了第二种构型，其中包括用于SES的电极的贴片与电子刺激器和控制台分开。该系统的优势在于其贴片电极的仅用于接触和刺激目的的一次性特性。一次性贴片包含电极或导电材料/表面，其通过保持接触、提供刺激和测量反馈来实现/改善传导。与其它实施例一样，其包括用于插设用于SES的刺激器和相关电子器件(电池、传感器和无线通信控制台)的插槽。刺激器还可以定期充电，而非一次性的。可重复使用的刺激器包含用于使用有线或无线连接进行刺激、感测、通信和控制的电子部件和电路。这提供了设计隐蔽且低轮廓的小而简单的贴片装置的优点。
可以使用不同形式和功能的贴片来使用相同的刺激器刺激身体的不同部分中的神经。一次性贴片可以由采用身体轮廓的形状的硬塑料材料与保持与身体电接触的柔软、弹性且导电的涂层的组合制成。具有插槽的贴片的硬聚合物预制件可以注塑模制或形成(使用纤维网转换(web converting))，并且可以将薄的粘性导电膜附接到硬聚合物预制件，以确保皮肤、电极和刺激器之间的电接触。可选择地，用户可在刺激器或电极下方施加导电凝胶。贴片可以具有多个聚合物预制件或插槽，使得单个贴片支撑多于一个刺激器或电极。例如，单个电子贴片系统可以具有两个或更多个插槽，其将多个电极保持就位，使多个电极设置在尺骨和正中神经附近以用于中风的管理。
具体而言，这种设备可以在面部表面上设置在三叉神经上以治疗偏头痛，设置在背部以减轻疼痛，或者设置在会阴上治疗勃起功能障碍或失禁。电子贴片系统还可以包括一个或多个贴片电极和振动触觉反馈传感器，所述一个或多个贴片电极用于刺激身体中的一个位置处的神经，所述振动触觉反馈传感器用于提供身体的不同部分对SES刺激的肢体运动(运动功能或功能表现参数)的实时反馈。一次性贴片还可以设置在手腕上以治疗中风患者，以及设置在背部上以治疗疼痛或其它疾病和病症。
训练/触觉实施例
具有用于检测肢体和手指运动的传感器的设备的其它形式要素包括能够设置在不同手指上的环。环包含与腕带PNS刺激器和智能手机或平板电脑结合地工作(或者可以物理或无线地连接到腕带PNS刺激器和智能手机或平板电脑)的传感器。当患者基于智能手机或平板电脑上的游戏移动手指时，通过腕带电极刺激以进行SES或PNS。指环传感器检测运动并且测量刺激并记录每个疗程的数据。基于刺激参数和对所实现的运动的反馈，可以滴定刺激以在持续数周至数月的物理治疗和康复期间的单次疗程或多次疗程中实现期望的结果或肢体运动。类似的系统可用于在使用或者不使用不同的视频游戏训练视频游戏玩家的情况下通过SES增强视频游戏玩家的响应时间。各种测试，如9孔钉测试，可用于测量响应时间。
如前所述，图3示出了用于监测手指和/或肢体运动的实施例或形式要素，其涉及使用小手指帽来检测SES之前和之后或在视频游戏训练期间的运动。这些手指帽可以容易地被患有中风和其它神经缺陷的患者佩戴和取下。当患者基于智能手机或平板电脑上的游戏移动手指时，通过腕带电极刺激来进行SES或PNS。包含传感器的手指帽检测手指运动，测量刺激并记录每个疗程的数据。在另一实施例中，手指帽还可以适合于腿部中的手指并且与脚踝脚镯刺激器协同工作。环、脚镯和帽还可以包含用于刺激或感测的电子部件和电路，可以使用有线或无线连接与智能电话或平板电脑通信并由其控制。
EEG反馈实施例
用于系统的EEG设备和电极被设计成用户友好的，并且可以在如先前在图2中示出的各种实施例中获得。这些EEG反馈和/或刺激系统可以集成有蓝牙低功耗(BLE)或类似于电话的无线通信技术，以通过将尽可能多的处理转移到软件/电话来最小化体积，这也可以改善解释。用于刺激的电极系统使用可能导致伤害或损伤皮肤的传导凝胶(标准EEG糊剂)。为了最小化这种损坏，系统可以包括具有最小残留物的高内聚粘性凝胶(例如，可以类似于在可重复使用的棉绒辊中使用的材料，或者由3M制造的用于手机的仪表板吸附器上的材料，或者用于灰尘可以从其洗掉的“粘手”玩具的材料)。
训练/反馈游戏硬件实施例
虽然训练的主要组成部分与运动任务有关，但是附加部件可以提供额外的提示(光、声音、图像、屏幕上的指示、振动)，以减少认知负担，类似于在如前所述的手套中的触觉反馈。生物反馈系统还用于监测和控制慢性疼痛。在训练/游戏期间提高表现的反馈系统包括在移动电话/平板电脑上的视觉、振动和声音。如图9所示，触摸屏可用于训练精细动作(捏合、点击、个性化)技能。在图9中，用户按照游戏的指示用她的手指点击，每个手指分别点击平板电脑或电话的屏幕。另外，可以使用平板电脑和电话的现有运动传感器，以便在可能的情况下消除对额外传感器的需求，尤其是针对大型运动/大型肌肉的传感器。例如，在特发性震颤中，在到达时握住电话可以用于使用智能电话中的陀螺仪测量震颤。类似地，现有的振动/声音传感器和图像/光可用于在训练期间提供额外的反馈，类似于来自手套的触觉反馈。硬件可用于协调来自其它设备/传感器/电极的输入和输出。软件和互联网连接可用于算法实现、云中继等。
在一些实施例中，训练和反馈硬件可以集成到电极设备中。例如，位置/运动传感器可以内置在腕带中。振动/声音/光反馈可以内置在设备和/或系统中。对于大型肌肉训练，腿套可以测量骑行/跑步速度，并在速率低于目标水平时给出振动反馈。在特发性震颤患者中，腕式设备可以测量震颤，并且振动或发出警笛声以提供反馈。在一些实施例中，可以存在使用视觉和/或声音和/或触觉的VR头戴式耳机。可以很好地使用谷歌眼镜或监测振动、运动和温度的触觉手套。可以使用通过电极本身或超感觉反馈的反馈刺激以及耳机/声音。可选择地，利用Microsoft Kinect(细微动作或步态分析)或Nintendo Wi的动作捕捉也可以使用。
可以使用低功耗蓝牙或类似的无线技术将反馈传感器集成到硬件中，以与电话或电子医疗记录或基于云的数据收集、存储和管理系统进行通信。
训练游戏还可用于治疗疼痛/感知综合征(RSD、三叉神经痛、恶心、眩晕等)。手机或平板电脑可以提供生物反馈训练系统。如果软件逐渐分散了受试者的注意力，随后在他们动态评定疼痛的同时重新注意症状，则可以“游戏化”幕上地控制其疼痛的能力。对于慢性疼痛本身而言，这实际上是一种有用的技术。该应用程序可以提供指示(视觉和听觉)以测量对治疗的反应。“注视大约20英尺外的的墙上的点60秒，现在......，您如何评价您的......”基本上复制了一次采访或评估。
治疗各种病症/表现增强
可以通过使用上述设备、系统和算法的训练和反馈结合PNS来治疗各种疾病和病症。这些疾病和病症包括中风、疼痛、神经痛、偏头痛、步态障碍、帕金森病(PD)等。虽然PNS预计不会改变疾病的进程，PD患者可能会发现物理治疗可以改善症状(活动，姿势，步态，僵硬)，但如果停止物理治疗，则会失去益处。本发明可以使得能在家中进行长期治疗。PNS可以使大型和小型肌肉的神经受益，尤其是大型肌肉的神经。PNS还可以治疗非血管原因引起的阳痿。各种病症、目标PNS部位以及包括训练和反馈的治疗计划详述于图10至图13中。PNS还可用于增强健康受试者的表现。专业运动员、舞蹈家、音乐家、医生、游戏玩家、转录员和速记员可以通过PNS和反馈算法提高他们的专业或职业技能，或防止重复运动导致的运动功能恶化。另外，PNS还可用于改善记忆和睡眠。可以受益于治疗、目标PNS位点和训练/反馈系统的受试者详述于图14中。
可以靶向各种神经，以治疗疾病状况或增强表现。这些神经包括上肢神经，例如桡神经(所有分支)、正中神经、尺神经、皮神经(单指、整只手、前臂)、前臂外侧皮神经、锁骨上神经、腋神经、后支皮神经、以及内侧肱动脉皮神经。下肢神经包括腓总神经及其分支、坐骨神经、浅支、胫神经分支、隐神经、腓肠神经、股外侧皮神经、跟骨外侧、跟骨内侧、腓浅、股外侧皮神经、L1-L4、S1-3的皮肤分支。骶神经包括供应S1-S3皮区和阴部神经的神经。面神经包括三叉神经和分支、枕神经、浅表颈丛、面神经分支、颈神经分支和颅神经I-XII。神经的任何组合也可用于治疗本文所列的任何病症。例如，一个实施例可以同时刺激中枢神经、尺神经和/或桡神经。其它实施例可以刺激腓肠神经和深腓神经。这些示例并不意味着限制。
在中风、创伤性脑损伤或伴有言语、语言、吞咽困难、上肢和下肢缺陷或脑瘫的其它获得性脑损伤的情况下，该设备可以刺激上肢神经(感觉和运动神经C3-T2；包括整个手臂的尺神经、正中神经、桡神经、腋神经、皮神经、前臂的外侧皮神经、或者肱动脉神经)，通过手指运动学、手部开合、手指点击或者与游戏或手机的交互进行疗效评估。该设备可以刺激下肢(例如S1-S5；L1-5；坐骨神经的分支，例如胫神经和腓神经，股神经，闭孔神经，隐神经，足部皮肤神经或足底表面神经)，并使用在踝关节处的脚镯评估疗效，该脚镯能够监测步长、步幅、步态速度或姿势、动作捕捉速度或使用相机测量速度。该设备可以刺激自发神经(颅神经3-12、咽部神经、口腔皮肤神经)，使用主观评估、录音或吞咽测试来评估言语和吞咽困难。
对于步态障碍，包括年龄相关的步态参数下降、感觉神经病变、小脑缺陷和神经病变导致的步态共济失调、帕金森病和小血管缺血性疾病，可以使用用于臀小肌的腰带刺激或使用用于下肢的腿/大腿护套。功效评估可能涉及将手机设置在腰带上的口袋中(可能在中线上水平)并使用与运动传感器集成的手机分析来分析步态并提供反馈，使用粘合剂将运动传感器设置在沿着下肢的关键位置或将运动传感器设置集成到腰带/护套，或者使用动作捕捉(使用例如Microsoft Kinect)。
对于帕金森病，可以刺激各种小型和大型肌肉。功效评估可以涉及使用运动捕捉或运动传感器来在患者在平板电脑或游戏上追踪他的手指、例如追逐穿过屏幕上的迷宫的角色时观察步态、跟踪手指运动的平滑度和响应性。迷宫的速度和复杂性可以根据患者的能力和对PNS的响应来调整和滴定。
对于特发性震颤，可以刺激手腕的神经，通过使用触觉手套或手机内的运动传感器经由移动电话检测震颤，并将手机的声音/振动作为对患者的感觉反馈，从而评估功效。
对于衰老性本体感觉丧失或对不平衡的反应能力降低，可以刺激支配大型和小型肌肉的神经，提供平衡训练和平衡恢复，以降低跌倒的可能性。感应垫或口袋中的手机可以用于在常规行走或站立或闭眼站立期间测量步态参数(例如，绊倒)。
对于上运动神经元退行性疾病，如原发性侧索硬化、ALS、多发性硬化、岭髓损伤，可以传递如前所述的针对中风的神经刺激。评估可以包括痉挛或上肢和下肢运动速度的测量。加速度计可用于检测功能的变化。
对于岭髓灰质炎后综合征和其它下运动神经元疾病(例如ALS)，可以使用下肢和上肢电极来靶向特定受影响的肢体或其它神经目标，如先前针对中风所描述的，评估包括疲劳或疼痛的自我报告，或使用力传感器测量力和肌肉力量。
对于诸如抽搐、舞蹈病、单侧抽搐、共济失调和僵硬的神经运动障碍，可以传递精细运动和大型肌肉群的刺激，或者该设备可以刺激上肢的神经(感觉和运动神经C3-T2，包括手臂的尺神经、正中神经、桡神经、腋神经、皮神经)前臂的外侧皮神经、或下肢的臂神经或神经(例如，S1-S5；L1-5，坐骨神经的分支，如胫神经、腓神经、股神经、闭孔神经、隐神经，足部皮肤神经或足底表面神经)。功效评估可以包括主观评估或使用加速度计或其它传感器进行客观评估。
对于不宁腿综合征、周期性肢体运动或周期性睡眠肢体运动，刺激可以包括下肢肌肉和感觉/运动神经(例如，S1-S5；L1-5，坐骨神经分支，股神经，闭孔神经，隐神经)。评估可以涉及主观评估或使用加速度计、陀螺仪或EMG电极进行客观评估。
对于肌肉痉挛，该设备可以刺激下肢肌肉和感觉/运动神经(例如，S1-S5；L1-5，坐骨神经分支，股神经，闭孔神经，隐神经)或上肢神经。评估可以是主观的。
对于三叉神经痛，粘性面部电极可以靶向颅神经5和/或7以及相关的感觉神经，主要基于患者报告采用主观评估。支配一个或多个颅神经1-12的粘性面部电极可用于治疗Bell's麻痹、面部痉挛或眼睑痉挛。
对于偏头痛或慢性眩晕，粘性面部电极可以靶向颅神经5和/或7以及相关的感觉神经、枕神经或耳神经，并基于自我报告(例如，头痛持续时间、偏头痛的频率和严重程度)进行评估。
对于反射性交感神经营养不良，该设备可以包括佩戴在手腕周围的护套或带上的电极。反馈可能涉及使用LED和传感器来测量血流量(如脉搏血氧仪)或使用生物反馈应用程序。
对于吞咽困难的治疗，该设备可以刺激三叉神经、咽部表面、上食道或迷走神经，其中通过自我报告或客观测试(例如透视或吞咽测试)来评估功效。
对于斜颈，该设备可以刺激胸锁乳突肌、颅神经5,7和相关的感觉神经、枕神经和/或神经耳，其中通过自我报告、加速计或EMG记录来评估。
对于阳痿，可以刺激会阴(阴部神经)。亚感觉刺激是优选的。评估可以涉及用于测量血流量的传感器或拉伸传感器。
对于早泄，刺激可以涉及与S1-5和会阴神经、阴部神经及其分支相关的皮肤神经。
对于尿失禁、痉挛性膀胱或膀胱过度活动症，刺激可以涉及与S1-5和会阴神经、阴部神经及其分支相关的皮肤神经。评估可以涉及与痉挛减少、膀胱张力改善或排尿频率相关的自我报告症状。
对于骨盆底功能障碍，会阴粘性电极可用于提供刺激，包括亚感觉刺激。
对于失眠和其它睡眠障碍，可以使用针对颅神经5和/或7以及相关的感觉神经、枕神经、耳神经的粘性面部电极以及先前针对中风识别的上肢和下肢目标的刺激。刺激可以适合于用户的睡眠周期。评估可以涉及自我报告或者EMG、EOG或EEG。
对于腰痛，包括坐骨神经痛、腰神经根病和外周神经病，该设备可以刺激下肢的神经(例如，S1-S5，L1-5，坐骨神经的分支，例如胫神经和腓神经，股神经，闭孔神经，隐神经，足部皮肤神经或足底表面神经)。
对于阻塞性睡眠呼吸暂停，该设备可以刺激舌下神经，并通过评估AHI、ODI和打鼾来确定功效。
运动员、舞蹈家、音乐家、医师、外科医生、视频游戏运动员和打字员都可以从本文描述的设备中受益。电极可以设置在用于手臂、腿、手腕等的护套中，从而以易于使用、舒适的输送系统来提供必要的刺激。
方法和算法
基于来自EEG以及训练/反馈“游戏”的反馈来调节PNS电极刺激。这可以基于在先前执行中具有类似EEG轮廓和响应的人的情况进一步调节和优化。例如，通过先前治疗的患者的反馈数据调节或通知后来患者的治疗算法。可选择地，可以基于他们对PNS的响应来个性化针对同一患者的治疗算法，和/或在后续疗程中进行调整或滴定以进一步增强治疗或表现。对于延长的(例如，在白天间歇性运行或过夜运行的亚感觉或近似亚感觉)刺激，刺激在佩戴EEG时在算法上被优化，但是可以在没有优化的情况下继续。例如，患者可以佩戴EEG一小时以更新/优化刺激范例，随后在EEG帽关闭的情况下继续。可以在使用EEG帽打开的情况下规定强化PNS治疗算法，并且可以在EEG帽关闭的情况下传递较不强烈的PNS疗法。
基于实时和后续疗程的表现来调节训练/反馈“游戏”。该算法可以驻留在手机/平板电脑或独立计算机上的应用程序中，或者与云处理结合。对于云处理，来自手机/平板电脑的数据被上传到云进行分析，随后将更新后的算法发送到手机/平板电脑。该算法基于从其它患者收集的数据以及PNS治疗参数的演变、EEG或当前患者的其它训练反馈参数而不断改进或学习。
具体治疗算法包括：1)对于单SES治疗：a)仅SES-无EEG诊断或反馈；b)具有EEG监测的SES和用于刺激的闭环反馈；c)单肢和双肢治疗。2)对于组合治疗：a)SES+EEG闭环反馈+灵活性训练；b)SES+EEG闭环反馈+灵活性训练+触觉反馈；c)SES+灵活性训练；d)SES+监测自发行为(即在常规非任务活动期间)。
对于在图10至图14中列出的病症，使用一系列刺激参数。该范例的一个关键目标是使用反馈系统为每个个体滴定参数。因此，概述了要测试的参数扫描范围，以便达到定制范围。各种机器学习和统计技术用于定制参数。例如，使用诸如多变量回归模型的线性方法来量化反馈参数和刺激集之间的关系。还使用诸如神经网络的非线性方法。
关于特定刺激参数，使用范围从0.001到1000Hz的刺激频率。这包括所有子频率(例如，10,10.1,......10.9,11)。刺激可以通过块设计来适应参数(例如，以5Hz开始并以20Hz结束的频率“扫描”的刺激；另一示例是采用两个单独的固定突发的突发模式)。波形形状可以是或者不是电荷平衡的，包括双相方波脉冲。刺激的波形还可以改变，以包括任何任意波形形状(例如锯齿、正弦曲线、白噪声、斜坡、多状态脉冲、三角形)。波形持续时间可能在1-500微秒之间；特定范围受所选频率的限制。刺激的工作循环可以在0到100％之间变化。强度也将受到控制；它的范围从0到>100mA。可以使用从持续1分钟到连续(始终开启)的各种刺激持续时间。另外的刺激参数显示在图15A中。自适应算法确定每个个体的特定刺激持续时间。对于多个神经刺激(例如，正中神经，尺神经，桡神经)，可以同时刺激所有神经或者可以使用图案化的训练刺激所有神经(例如顺序或具有可变时间滞后的任何组合)。
各种参数影响有效刺激或治疗算法的开发，其可以针对个体需求和表现进行个性化。感兴趣的参数包括刺激的频率、工作循环(开/关信号时间的持续时间)、波形形状(例如，双相、单相、正弦曲线、锯齿)、单次疗程中的刺激持续时间、每天、每周或每月这种刺激期的数量、经受刺激的神经、电极相对于神经的位置以及算法适应患者特异性刺激反应的能力。自适应算法能够监测反馈或结果以及上/下滴定或调节响应，从而实现所需的治疗或表现。
刺激结果的评估可以取决于以下参数：行为度量(如反应时间等)，神经生理学生物标记，和来自每个个体的响应的主观评估。对于上肢，行为度量将依赖于运动学(例如，运动特征)和动力学(例如力)参数的变化。度量标准还可以包括客观和主观参数，或这两者的组合。这些参数包括运动的速度、响应视觉或其它提示的运动的准确性、运动任务的表现的准确性、以及与任务不直接相关的自发运动。可以评估涉及远端和近端肢体的参数。这可以包括，例如手指运动的评估和个性化，以将手握力测量结果与手臂本身的运动相关联。这还可以包括使用嵌置于刺激设备本身中的电子测力计或用于电话的附件来测量力。这些运动的协调还可以用于衡量表现。对于下肢，使用类似的度量。这可以包括步态参数，例如步幅长度、步长、站姿基础、运动速度和步骤的可变性。另外，SES可以改善对外部刺激的响应时间。可以评估作为下肢功能的量度的足部点击速度。对于口部运动功能，可以评估发声和吞咽能力。对于疼痛状况，可以使用用户对疼痛的自我评估。对于勃起功能障碍，可以通过自我报告等评估开始或维持勃起的能力。
可以使用各种测量来监测运动参数。例如，电话应用程序可以允许个人执行视觉引导的手指灵活性任务，以测量速度和准确度。手机中的加速度计和陀螺仪可以在治疗期间监测肢体运动的速度、准确度和轨迹。在这种情况下，受试者将在握住电话时进行移动。也可以使用嵌置于刺激装置中加速度计、磁力计和陀螺仪来监测肢体运动。可以使用手机本身的视频；随后，应用程序将自动分割图像并确定移动参数。对于下肢，可以设想到基于直接应用程序的测量的类似组合(例如，用手点击电话屏幕)而使用加速度计/磁力计/陀螺仪以及使用内置于刺激设备本身的传感器。在一些实施例中，用户的语音或其它声音可以用于监测治疗进展。其它结果测量列于图16中。
刺激之前/期间/之后的EEG记录被用于评估对PNS的响应。EEG需要设置电极，例如图2中以头帽形式设计的10-20电极系统。随后通常将参考电极设置在耳朵或乳突附近。有源记录电极被设置在头皮上；这些电极将使用导电凝胶设置，或者被设置为干电极。每个皮质电极以耳参考为参考。在显著伪影的情况下，将以差分模式分析皮质EEG电极(即，每个电极将参考耳朵，并随后彼此参考)；这将允许最佳的共模抑制。时频谱分析可以用于确定每个频带(即，0-55Hz)中的功率。
使用该系统进行临床实验。如图17所示，与基线静止期相比，在PNS之后，主要在δ带(0-4Hz)和θ带(4-7Hz)中观察到健侧静止状态低频功率的相对减少。其次，健侧动作θ和α功率(8-12Hz)的减少与SES的分级变化显著相关。总之，结果突出了低频、健侧皮层振荡与SES响应的行为变化相关的重要性。低频振荡功率损失还可以表示皮质可塑性，其中潜在的皮质网络从空转状态转变为运动功能相关的募集。
示例1：使用SES治疗中风患者
具有获得性脑损伤史和远端上肢运动损伤的八名参与者接受使用经皮电神经刺激的单次两小时的SES疗程。干预前和干预后评估包括行动研究臂试验(ARAT)、手指分离(fractionation)、夹紧力和修订的Ashworth量表(MAS)，以及静息状态EEG监测。
主要结果测量由标准化ARAT和手指个性化的运动学测量组成，如通过手指耦合指数(FCI)测量的。ARAT已被验证以测量远端手部功能的定义域(即，接近、抓握、抓持和捏合任务)。使用30Hz视频捕获系统获得用于运动学运动分析的数字视频记录，并使用自定义Matlab脚本分析以记录所需任务的开始位置和结束位置。通过要求参与者以完全伸展的数字位置开始或尽可能接近完全伸展的数字位置来获得FCI测量，随后保持该位置仅弯曲中指，随后使用自定义Matlab脚本进行分析。随后将FCI计算为被动中指所经过的角度除以活动食指所经过的角度(图18)。对三次试验求平均，以获得平均FCI。次要结果测量包括手指捏力/夹紧力(标准化测力计)和MAS，以评估影响手腕和手指屈曲和伸展的痉挛状态。在干预之前和之后立即测量结果评估。在Fp1、Fp2、C3、C4、P3、P4、O1、O2、10-上使用8个电极，10至20个系统EEG位置与乳突参考处于500Hz，在刺激之前和之后获得持续10分钟的睁眼状态下的静息状态EEG数据(Enobio,Neuroelectrics Corp.)。
运动学和临床结果测量的结果显示在图19中。在PNS之后，平均分数显著改善，包括ARAT总分、总ARAT完成时间、ARAT捏合任务子集完成时间、FCI和MAS。在一次SES疗程后，ARAT分数的平均变化为1.56分(或改善3.7％)(p<0.05)。进一步分析ARAT结构域子集以确定是否可以观察到一个特定结构域改善或远端上肢功能的广泛效应。注意到，速度显著改善(完成所有任务的总时间减少1.6秒(变化13.8％；p<0.05)，捏合任务时间缩短6.6秒(变化29％；p<0.05)。近端任务时间、抓握任务时间和抓持任务时间的变化不显著。手指分离显著改善；FCI从0.68降至0.53(变化22％)。在次要结果测量中，在有基线痉挛状态(p<0.05)的测试者中，MAS显著下降2.25分(变化60％)，而平均捏力增加1磅(9％变化)。虽然后者没有达到统计学意义，但注意到改善的趋势(p＝0.14)。
图20示出了八个受试者之间的在δ频带和θ频带内的从干预前到干预后的平均静息状态EEG功率的百分比变化的分布，其中头部曲线描绘了1/群组水平的变异系数(平均值/标准偏差)百分比变化。星形标记表示群组水平静息状态EEG功率从零开始的显著变化。图20A示出了在干预之前多变量鲁棒岭模型的系数的大小从平均FCI变化回归到平均功率变化，其中星形标记描绘系数的绝对量值大于随机数据排列产生的系数的95％。
SES引起显著降低，主要是平均健侧静息状态运动员EEG功率，尤其是在低频率(δ0.9-3.9Hz和θ4.8-7.9Hz频带，p<0.05，Bonferroni校正，图20A-B)。相反，针对α和β频率(8.8-11.7Hz)，没有发现显著变化。另外，当控制多元岭模型中的所有其它预测因子时，组合θ和α功率变化超过健侧运动皮层与分数变化显著相关(p<0.05)(图20C)，岭参数值为12.13，其通过交叉验证计算。应当注意到，岭回归在相关预测器之间共享系数值，同时缩小与响应变量不相关的预测器的系数。该研究显示了SES对手指个性化的正面影响，并确定了皮质振荡，这是个体响应于SES的重要电生理生物标记。这些生物标记是针对具有远端手部缺陷的个体定制SES参数的目标。
基于上面概述的结果，本设备的一个实施例将旨在基于对EEG信号的监测来“自动滴定”SES参数(例如，但限于幅值、频率、占空比、突发模式持续时间)。更具体而言，原始/参考EEG信号将被带通滤波成多个频带(例如0-4,4-7,8-12,13-20,21-40,40-200；可以选择任何组合和步长)。对于基于θ和δ波的特定实施例，设备将计算那些频带中的功率(例如，使用时频分析与RMS与希尔伯特变换或其它)。该设备将在刺激之前建立基线值，随后以连续方式监测幅值。如果存在大的刺激伪像，则该设备将能够停止刺激以进行评估。如果随着时间的推移未检测到功率降低，则将停止或改变刺激。随后，该设备能够选择另一组参数用于后续测试。
除了上面列出的“静息状态”EEG测量之外，可以使用诱发电位分析来滴定剂量。在这种情况下，将针对每个刺激脉冲测量EEG信号或诱发的神经生理信号(即，来自头皮/颈部/面部/肩部/手臂或其它部位)。该设备将基于记录信号的移动平均值生成平均响应。该系统还将基于该平均诱发响应来滴定参数。
示例2：组合疗法：使用SES+FDT/触觉治疗中风患者
基于上述示例1中的研究，对同一受试者测试了用于手部康复的疗法组合的协同效应。组合了受影响的手的运动传感器数据手套、实时振动触觉/触觉反馈以及外周神经的SES，并测量了运动功能和手/手指运动的变化。该研究评估了多模式手部康复方法是否可以改善慢性运动障碍患者在中风后的手和手指功能。两个重要目标是使用最先进的技术在康复期间提供实时反馈，并充分阐明预测每种方式改善的患者特征。
对以下项进行了测试：(1)腕部尺神经//桡神经/正中神经的亚运动/超感觉电刺激；(2)使用可以监测手指运动或手指灵活性训练(FDT)的“感知数据手套”进行基于游戏的手和手指功能康复；(3)结合振动触觉(触觉反馈)提示，在基于游戏的康复过程中提供误差信号。如下面在图21中示出的，游戏依靠手指动作来移动中心角色。受试者参与手指康复游戏，该游戏使用手套实时监测手指运动学。主要结果测量是详细的运动学参数(FCI，手指运动的有效范围)和手部功能的总量度(ARAT和九孔钉测试，NHPT)。痉挛的次要结果指示是捏合力和MAS。
对桡神经、尺神经和正中神经的2小时外周神经刺激的总体功效(2小时，1Hz训练，超过500ms的10Hz单脉冲，50％占空比，1ms脉冲宽度)的结果如图22A所示。具体而言，痉挛或MAS显著减少，ARAT总分显著改善。
相比之下，对手指运动学有更多混合功效。如图22C所示，在SES刺激后，手指耦合指数没有显著变化(即在群体水平)。手指耦合指数被绘制为手指耦合比(FCR)，其是独立移动两个手指的能力的量度(即，值1表示缺乏个性化并且完成耦合；值0表示完美个性化)。该图表明，在训练之后，FCR或个体分离能力没有显著改善。观察到从“之前”到“之后T0”分数类似。
图22D示出了使用FCR测量的使用上述自适应游戏(或康复)程序的手指运动学的手指灵活性训练(FDT)的功效。游戏使用可以监测手和手指运动的感测数据手套来跟踪受试者的手指运动学，或在‘关节’手指的中指和食指关节角度。要求受试者随着时间的推移逐渐增加个性化，以赢得游戏。在训练之前和之后测量FCR。每个疗程通常持续1小时，在此期间监测受试者的表现并基于表现水平调整难度。结果显示，在SES+触觉反馈或手指灵活性训练的组合治疗之后，分离能力有显著改善(即，从‘之前’到‘之后T0’的手指耦合分数的减少)。
还测试了在训练期间添加振动触觉反馈误差的功效。对于三个受试者，添加触觉反馈有显著改善，如图23中针对一个受试者所示的。在游戏期间，通过额外的触觉反馈改善个性化，如通过误差的显著减少所指出的。下面的曲线说明了在训练期间手指应保持静止的动作。对于触觉，如红色迹线所示，有更大的能力保持手指静止。
结果显示，虽然使用PNS的神经调节在手部功能的总体测量(即减少的痉挛状态，允许增加的力)上广泛有效，但是其在手指运动学上的功效较差。用基于手指的训练可以看出相反的图案。基于触觉的方法似乎改善了基于视觉的常规训练的手指运动学。这些结果提供了重要的证据，并验证了使用PNS/SES的神经调节以及使用具有触觉反馈的数据手套的组合益处的原理。每种的功效可以是不重叠的，并且表明单个产品中的组合将是理想的。重要的是，证明了一种模型的可行性/基础/基本原理，该模型用于组合模式以改善中风后的手和手指功能以及限制肢体运动的其它神经系统病症的最佳策略。
示例3：使用SES治疗阳痿
本技术的一个实施例是使用SES刺激治疗阳痿：在这种情况下，患者或医疗保健提供者对会阴施用电极。每个阴部神经可以有正电极和负电极，所述正电极和负电极集成到用于每个神经的一个贴片或部件中或用于整个会阴的一个贴片或部件中，如图24所示。用户可能需要在施加电极或贴片之前修剪毛发。如果电极有电线，则应将其插入控制模块。在其它实施例中，电极与控制模块无线通信。随后，用户可以戴上呈头带形状的EEG，随后在他的手机上打开应用程序。该应用程序之前已经上传了上次刺激疗程和上次训练课程的数据。服务器已经修改了刺激算法并将其推送回到应用程序。随后，用户开始他的刺激疗程。随后，电话使用低功耗蓝牙与EEG监测器和电极控制模块进行通信。当接收来自EEG监测器的EEG数据时，将刺激信号发送到控制模块。EEG数据用于根据算法实时调节刺激。对EEG数据的分析允许电话在EEG传感器没有正确定位的情况下提示患者调整EEG传感器。随后，用户取下并拔下电极，并且可以将其丢弃或者可以重复使用。随后，用户可以使用micro USB充电器为控制模块充电，并使用micro USB充电器为EEG监测器充电。在后台，手机将最新的刺激数据上传到云服务器。
训练：患者在阴茎上施加监测设备(圆周环或粘性贴片)(图25)。患者在其手机上启动应用程序并开始个人选择的色情刺激方法。监测装置监测血流量或阴茎伸长率，并将数据发送回电话，如图26A,B所示。电话提供反馈(即，生物反馈功能)。患者取下并处理或清洁监测装置。电话将数据发送回云服务器进行分析并更新下一次刺激疗程的算法。用户给设备或发射器插入micro USB，以通过micro USB充电。
示例4：游戏(或其它手部表现改善)
视觉运动协调、手动灵活性和手指个性化是玩视频游戏的关键，无论该游戏是基于常规游戏控制语言还是手机/平板电脑。已知PNS改变健康受试者的肢体运动的运动表现。重要的是，有文献表明PNS可以有助于感知技能和手动灵活性。该设备的一个实施例被设计成增强游戏技能，该游戏技能旨在改善视觉运动协调、手动灵活性和手指个性化、反射、精确运动、速度(点击等)、手指运动的平滑度和手眼协调。
一个特定实施例包括以下元件：(1)能够可变地调节桡神经、尺神经和正中神经的腕戴式设备，(2)到移动电话和/或特定游戏控制器的无线连接，(3)定量监测视觉运动协调、手动灵活性和手指个性化的设备和/或方法，(4)使刺激参数(例如，神经、频率、幅值、波形、工作周期)适应个性化表现提升的算法。在一个实施例中，腕戴式设备将能够与手指传感器(例如，附接到指尖的帽，或部分手套；或佩戴在手指上的传感器环)连接，以便直接监测运动学改进。在另一实施例中，移动电话应用程序将被设计成使用一系列度量(例如，反应时间、序列学习、个性化)来测量表现。随后，应用程序量化表现指示，随后以闭环方式调整表现。可以使用用于监测手和手指运动的移动相机系统来量化运动、运动功能和响应时间。
刺激：患者将刺激设备应用于手腕并戴上头带EEG。随后，患者在手机上打开应用程序，该应用程序之前已经上传了上次刺激疗程和上次训练课程的数据。服务器已经修改了刺激算法并将其推送回应用程序。随后，患者开始受监测的刺激疗程。手机使用低功耗蓝牙与EEG监测器和电极控制模块进行通信。当接收来自EEG监测器的EEG数据时，刺激信号被发送到控制模块。EEG数据用于根据算法实时调节刺激。对EEG数据的分析使得电话能在EEG传感器没有正确定位的情况下提示患者调整EEG传感器。在刺激疗程结束时，用户取下EEG监测器并插入USB充电器。患者留下手腕单元使其开启，以继续进行亚感觉或最低感觉刺激。电话继续控制刺激或者将优化的程序推送到刺激设备。用户通过不受监测的刺激来继续他们的生活(工作、睡眠、看电视)。电话提示用户刺激完成。用户取下设备并插入充电。类似的腿部脚链(脚镯)式刺激装置或鞋中的刺激器或可拆卸的鞋垫/插设件能够设置在下肢上并与EEG反馈监测器联接，以提供最佳刺激并实现期望的功能表现。
训练：患者在手机或平板电脑上打开应用程序。患者参加测试和训练各种精细运动技能的一系列游戏。该应用程序动态调整游戏的不同方面的难度，以保持用户处于其能力的边缘/极限。受训练的技能包括点击速度、手指个性化、对视觉、声音或振动刺激的响应时间、运动精度、运动平稳性和手眼协调性。提供额外的听觉、振动或视觉提示以帮助或混淆用户。(例如，在迷宫游戏中，背景可能在目标改变方向之前闪烁。)电话将数据发送回云服务器，以进行分析并更新算法。
在一些变型中，装置的一部分可以包括视频游戏控制器或控制台。例如，视频游戏控制台(或连接到控制台的附属设备)可以被配置成执行控制逻辑(例如软件、固件等，包括包含控制装置的全部或部分的程序的非暂时性计算机可读存储介质)。
游戏装置可以被配置成用于增强涉及通过闭环电刺激进行手指个性化的手动任务的表现。刺激器可以适于佩戴在用户的手臂、手或手臂和手上(例如，作为手镯、护腕、腕带、手表、手套等)，并且可以包括一个或多个电极、电源、控制器等，其中刺激器被配置成在佩戴时将电刺激从电极传递到用户的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个。刺激器可以适于佩戴在用户的腿上(例如，作为脚镯、鞋垫/插设件或智能袜子等)，并且可以包括一个或多个电极，以向胫/腿神经传递电刺激以改善表现。在这种情况下，表现可以在使用脚踏控制器(诸如Grand Turismo的赛车驾驶)玩视频游戏或在赛道跑道上驾驶赛车时增强腿眼协调性。
如上所述，该装置可以包括在其上存储程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中该程序使诸如游戏系统的处理器：提出涉及手指个性化的手动训练任务(例如，视频游戏)。游戏控制台可以包括控制器。程序可以分析来自受试者的手指(包括拇指，或腿)到游戏控制器上(例如，按钮推动等)的受试者输入，并且还可以从控制台接收关于准确度的输入，且可以使用该信息来估计基于手指个性化的表现指示。基于该信息，软件可以调整电刺激并且可以将经调整的刺激参数发送到刺激器。
例如，视频游戏控制台本身可以是装置上的主控制器(例如，可以运行程序/控制逻辑)。该装置可以滴定SES起始，并基于表现指示滴定SES参数。在这种情况下，腕带刺激单元可以通过视频游戏控制台本身(即在疗程之间)充电，并且可以无线地连接到视频游戏控制台本身，或者连接到被连接到该控制台的装置。可以通过控制台本身或通过控制台内置的软件控件打开SES。可以经由视频游戏控制器单元测量的表现度量来执行SES参数的滴定。例如，在X-BoxTM型控制器中，按钮按压和多指协调的速度将被连续监测并用于滴定SES参数。类似地或另外地，视频游戏本身的表现可用于滴定SES参数。可以修改的参数包括但不限于电流的幅值(例如，低于感觉诱发阈值的％)、刺激的频率(例如，在6-20Hz之间)、以及刺激的神经的数量和类型(例如，正中神经、正中神经+尺神经、正中神经+尺神经+桡神经)。
可以与视频游戏控制台系统分开购买该装置，或者可以将其与系统一起购买(和打包)。例如，该装置可以包括视频游戏(在游戏控制台上实现，例如XboxTM或PlayStationTM)和刺激器(例如，被配置成腕带)。可以创建和/或配置用于训练和/或测定装置表现的游戏(例如，评估玩家如何响应正在进行的刺激)，以与游戏系统一起运行。如上所述，其可以评估手指点击、反应时间、多指协调和如上所述的其它参数。
游戏/控制台可以跟踪刺激协议(并且可以存在多个不同的刺激协议，例如，在10到1000之间，在20到500之间，在30到200之间，超过500，超过1000等)。各种刺激协议可以与特定用户相关联，或者通常与多个用户相关联，并且与一般表现或特定游戏/训练中的表现改善相关联。例如，受试者(用户)可以选择导致该游戏中的最大改进的一个或多个刺激协议，或者该装置可以通过改变协议以确定哪个协议导致改善，从而自动优化。
例如，受试者可以连续30天使用该装置，并且受试者和/或装置(自动地)可以确定特定的一种或多种协议(例如，刺激参数协议23和68)导致最佳改善的参数x和y。该装置可以基于在特定游戏中应用的手动技能生成哪些协议可以最大程度地帮助每个游戏的推荐。例如，需要重复点击的游戏可以使得典型或特定用户使用协议24，而不是其它类型的游戏(例如，“射击游戏”)，其可以从另一协议或协议类别中受益最多(例如，协议56)。一些协议可以差异地将电刺激施加到不同的神经(例如，桡神经、尺神经和正中神经)。在一些变型中，用户可以使用按钮来自主编程刺激腕带，以获得正确的数字。
示例5：记忆/训练/睡眠
已知在睡眠期间调节神经处理以增强陈述性记忆和运动记忆。重要的是，还已知将洞察力(例如，在看似不相关的数据点中发现隐藏的规则)提供给复杂问题。所有这些处理对我们的日常生活至关重要，无论是学习新的运动技能，提高我们的感知技能，学习新的事实和知识，以及深入了解具有挑战性的问题。前面描述的设备可以用于调节这些处理，从而增强睡眠相关处理的所有元素。
将促进这一点的设备的特定实施例包括以下元件。(1)可以刺激桡神经/尺神经/正中神经的腕戴式设备，(2)设备中的将用于检测睡眠阶段的加速度计，(3)仅在特定睡眠阶段期间进行刺激的算法(例如，NREM 1-IV，REM)。该系统将在夜间佩戴，并在睡眠阶段期间提供特定的PNS刺激。该系统可以在睡眠的整个阶段期间(例如，在NREM睡眠期间，在REM睡眠期间或睡眠的特定特征，例如纺锤波(spindle)/慢速振荡等)。在另一实施例中，EEG帽或部分EEG系统将用于检测睡眠阶段和特定睡眠特征(例如，慢速振荡、纺锤波、δ波睡眠、REM)。
在另一实施例中，存在一对或多对电极，其可以使用移动应用来控制，该移动应用可以设置在任何区域中，以实现类似的图案化刺激。例如，已知三叉神经可以调节面部运动区域和对语音/语言处理很重要的区域。在该实施例中，电极被设置在面部上，位于与三叉神经相关的感觉区域中。这些粘性电极上的传感器能够使用加速度计和/或EMG电极检测睡眠阶段。
尽管以上描述了各种说明性实施例，但是在不脱离由权利要求描述的本发明范围的情况下，可以对各种实施例进行许多改变中的任何改变。作为一个示例，任何和所有装置和系统可以具有设置在神经附近的可移除电极。在其它实施例中，装置和系统可以具有可植入(在皮肤下)神经束神经上或周围的电极。这些可植入电极可以呈许多构型，包括但不限于，线性、袖带或环形电极、线圈或微针。这些电极可以连接到外部发生器或可植入设备，其向外周神经发送电脉冲。因此，本文所述的任何部件、设备和系统可以通过使用所列出的任何和所有刺激参数刺激所列出的任何神经而与本文所述的任何疾病或病症组合使用。
在可选实施例中，可以经常改变执行各种所描述的方法步骤的顺序，并且在其它可选实施例中，可以完全跳过一个或多个方法步骤。各种设备、传感器、刺激算法和系统实施例的可选特征可以被包括在一些实施例中，而不被包括在其它实施例中。因此，前面的描述主要是出于示例性目的而提供的，不应该被解释为限制如权利要求中所阐述的本发明范围。
本文包括的实施例和说明通过说明而非限制的方式显示了可以实施主题的具体实施例。如上所述，可以利用其它实施例并从中得出其它实施例，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。本发明主题的这些实施例在本文中可以单独地或共同地由术语“发明”来指代，仅仅是为了方便并且不意图将本申请的范围自愿地限制于任何单个发明或发明构思，如果实际上公开了不止一个发明或发明构思。因此，尽管本文已说明和描述了特定实施例，但经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施例。本公开旨在涵盖各种实施例的任何和所有改型或变型。在阅读以上描述后，上述实施例的组合以及本文未具体描述的其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
本文描述的任何方法(包括用户界面)可以实现为软件、硬件或固件，并且可以被描述为存储能够由处理器(例如，计算机、平板电脑、智能手机等)执行的一组指令的非暂时性计算机可读存储介质，当该组指令由处理器执行时，使得处理器控制执行任何步骤，包括但不限于：显示，与用户通信，分析，修改参数(包括定时、频率、强度等)，确定，警告等。
当特征或元件在本文中被称为在另一特征或元件“上”时，其可以直接在另一特征或元件上，或者也可以存在中间特征和/或元件。相反，当特征或元件被称为“直接在”另一特征或元件上时，不存在中间特征或元件。还应该理解到，当一个特征或元件被称为“连接”、“附接”或“联接”到另一特征或元件时，其可以直接连接、附接或联接到另一特征或元件或可以存在中间特征或元件。相反，当特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接联接”到另一特征或元件时，不存在中间特征或元件。尽管关于一个实施例进行了描述或显示，但是如此描述或显示的特征和元件可以应用于其它实施例。本领域技术人员还将理解到，将一个结构或特征称为与另一特征“相邻”设置，可以具有与相邻特征重叠或位于相邻特征之下的部分。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解到，在本说明书中使用术语“包括”指定所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其的组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。
在本文中可以使用空间相对术语，诸如“在......下面”、“在......下方”，“下部”、“在......上方”，“上部”等，以便于描述以描述一个元件或特征相对于如附图所示的另一个元件(或多个元件)或特征(或多个特征)的关系。应当理解到，除了图中所示的定向之外，空间相对术语旨在包括使用或操作中的装置的不同定向。例如，如果附图中的设备被反转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将被“定向”在其它元件或特征上方。因此，示例性术语“在...下方”可以包括上方和下方的定向。设备能够以其它方式定向(旋转90度或以其它定向)，并且相应地解释本文使用的空间相对描述符。类似地，除非另有明确说明，否则本文使用术语“向上”、“向下”、“竖向”、“水平”等仅用于解释的目的。
尽管本文可以使用术语“第一”和“第二”来描述各种特征/元件(包括步骤)，但是这些特征/元件不应受这些术语的限制，除非上下文另有说明。这些术语可用于将一个特征/元件与另一个特征/元件区分开。因此，下面讨论的第一特征/元件可以被称为第二特征/元件，并且类似地，下面讨论的第二特征/元件可以被称为第一特征/元件，而不脱离本发明的教导。
在整个说明书和随后的权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和诸如“包括”和“包括”的变型意味着可以在方法和物中共同使用各种部件(例如，包括设备和方法的组合物和装置)。例如，术语“包括”将被理解为暗示包括任何所述的元件或步骤，但不排除任何其它元件或步骤。
通常，本文描述的任何装置和方法应该被理解为是包含性的，但是部件和/或步骤的全部或子集可以可选地是排他性的，并且可以表示为“由各种部件、步骤、子部件或子步骤组成”或可选地“基本上由各种部件，步骤，子部件或子步骤组成”。
如本说明书和权利要求书中所使用的，包括如在示例中使用的并且除非另有明确说明，否则所有数字可以被读作好像以“约”或“大约”一词开头，即使该术语没有明确指出出现。当描述幅值和/或位置以指示所描述的值和/或位置在合理的预期值和/或位置范围内时，可以使用短语“约”或“大约”。例如，数值的值可以是所述值(或值的范围)的+/-0.1％，所述值(或值的范围)的+/-1％，所述值(或值的范围)的+/-2％，所述值(或值的范围)的+/-5％，所述值(或值的范围)的+/-10％等。除非上下文另有说明，否则本文给出的任何数值还应理解为包括约或大约该值。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。本文引用的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。还应理解到，当公开值“小于或等于”该值时，“大于或等于该值”和值之间的可能范围也被公开，如本领域技术人员适当理解的。例如，如果公开值“X”，则还公开了“小于或等于X”以及“大于或等于X”(例如，其中X是数值)。还应理解到，在整个申请中，数据以多种不同格式提供，并且该数据表示端点和起始点、以及数据点的任何组合的范围。例如，如果公开了特定数据点“10”和特定数据点“15”，则应理解为被认为公开了大于、大于或等于、小于、小于或等于、等于10和15、以及在10和15之间。还应该理解到，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则还公开了11、12、13和14。
尽管以上描述了各种说明性实施例，但是在不脱离由权利要求描述的本发明的范围的情况下，可以对各种实施例进行许多改变中的任何改变。例如，在可选实施例中可以经常改变执行各种所描述的方法步骤的顺序，并且在其它可选实施例中，可以完全跳过一个或多个方法步骤。各种设备和系统实施例的可选特征可以被包括在一些实施例中，而被不包括在其它实施例中。因此，前面的描述主要是出于示例性目的而提供的，而不应该被解释为限制如权利要求中所阐述的本发明范围。
本文包括的实施例和说明通过说明而非限制的方式显示了可以实施主题的具体实施例。如上所述，可以利用其它实施例并从中得出其它实施例，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。本发明主题的这些实施例在本文中可以单独地或共同地由术语“发明”来指代，仅仅是为了方便并且不意图将本申请的范围自愿地限制于任何单个发明或发明构思，如果实际上公开了不止一个发明或发明构思。因此，尽管本文已经说明和描述了特定实施例，但经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施例。本公开旨在涵盖各种实施例的任何和所有改编或变化。在阅读以上描述后，上述实施例的组合以及本文未具体描述的其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (34)

1.一种用于通过对施加的刺激进行闭环控制以改善受试者的外周神经功能的装置，所述装置包括：
第一输入装置，所述第一输入装置包括生物标记监测器，所述生物标记监测器包括EEG传感器；
刺激器，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、在功能上联接到所述第一输入装置的控制器，其中，所述控制器被配置成对外周神经施加电刺激，利用所述生物标记监测器测量所述受试者的EEG，并根据所述EEG的δ波或θ波部分的功率变化确定低频皮层振荡的指示；
其中，所述刺激器被配置成重复地施加电刺激，并且基于所述指示调节所述电刺激。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括以下项中的一个或多个：触觉反馈器，运动传感器，被配置成确定所述受试者身体的一部分的位置的位置传感器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括可穿戴刺激器，所述可穿戴刺激器被配置成佩戴在受试者的手臂和/或手腕上，并且被配置成将刺激施加到所述受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括封装所述控制器和无线通信电路的壳体，以及被配置成将所述壳体抵靠所述受试者的身体固定的外壳。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括以下项中的一个或多个：光学输出，振动触觉输出，或者听觉输出。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，确定低频皮层振荡的指示包括在静息状态下确定所述指示。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述刺激器通信的训练系统，所述训练系统被配置成在施加电刺激之前或期间给所述受试者提供训练。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极被配置成透皮地施加电刺激。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极包括可植入电极。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器被配置成通过调节以下项中的一个或多个来调节所述电刺激：强度，电流幅值，频率，持续时间，工作循环，时间/天数，脉冲持续时间，突发频率，突发持续时间，或总治疗期。
11.一种用于改善受试者的外周神经功能的闭环装置，所述装置包括：
刺激器，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、被配置成从所述电极传递电刺激的控制器、以及无线通信电路，其中，所述电刺激具有一组刺激参数；
生物标记监测器，所述生物标记监测器包括EEG传感器；以及
在其上存储有程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述程序使处理器：
利用所述生物标记监测器测量所述受试者的EEG，
根据所述EEG的δ波或θ波部分的功率变化确定低频皮层振荡的指示，
基于所述指示调节所述刺激参数，以及
将经调节的刺激参数发送到所述刺激器。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括可穿戴式腕带、贴片或智能手套。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括一个或多个触觉反馈器。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括一个或多个运动传感器。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一个或多个位置传感器，所述一个或多个位置传感器被配置成确定所述受试者的身体的一部分的位置。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括可穿戴刺激器，所述可穿戴刺激器被配置成佩戴在受试者的手臂和/或手腕上，并且被配置成对所述受试者的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个施加刺激。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括封装所述控制器和无线通信电路的壳体，以及被配置成将所述壳体抵靠所述受试者的身体固定的外壳。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电刺激器包括以下项中的一个或多个：光学输出，振动触觉输出，或听觉输出。
19.如权利要求11所述的装置，其特征在于，确定低频皮层振荡的指示包括在静息状态下确定所述指示。
20.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述刺激器通信的训练系统，所述训练系统被配置成在施加电刺激之前或在施加电刺激期间给所述受试者提供训练。
21.如权利要求11所述的装置，其特征在于，存储有所述程序的所述非暂时性计算机可读存储介质被配置成在智能电话或平板电脑的处理器上操作。
22.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述程序使所述处理器重复地测量所述生物标记、调节所述刺激参数并发送经调节的刺激参数。
23.一种用于改善受试者的外周神经功能的闭环装置，所述装置包括：
刺激器，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、被配置成从所述电极传递电刺激的控制器、以及无线通信电路，其中，所述电刺激具有一组刺激参数；
训练装置；
生物标记监测器，所述生物标记监测器包括EEG监测器；以及
在其上存储有程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述程序使处理器
利用所述生物标记监测器测量所述受试者的EEG；
根据所述EEG的δ波或θ波部分的功率变化确定低频皮层振荡的指示；
基于所述指示调节所述刺激参数；以及
将经调节的刺激参数发送到所述刺激器。
24.一种用于通过闭环电刺激来增强对涉及手指个性化的手动任务的表现的装置，所述装置包括：
刺激器，所述刺激器适于佩戴在用户的手臂上、手上或者手臂和手上，所述刺激器具有一个或多个电极、电源、控制器，其中，所述刺激器被配置成在所述用户佩戴所述刺激器时将电刺激从所述电极传递到所述用户的桡神经、尺神经和正中神经中的一个或多个；
在其上存储有程序的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述程序使处理器：
提出涉及手指个性化的手动训练任务，
基于所述手指个性化估计表现度量，其中所述表现度量被与低频皮层振荡相关，
基于所述表现度量调节所述电刺激，以及
将经调节的刺激参数发送到所述刺激器。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括腕带、贴片或智能手套。
26.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括一个或多个触觉反馈器。
27.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括一个或多个运动传感器。
28.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一个或多个位置传感器，所述一个或多个位置传感器被配置成确定所述用户的身体的一部分的位置。
29.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述刺激器包括封装所述控制器和无线通信电路的壳体，以及被配置成将所述壳体和所述一个或多个电极抵靠所述用户的身体固定的外壳。
30.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述电刺激器包括以下项中的一个或多个：光学输出，振动触觉输出，或听觉输出。
31.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述控制器被配置成在刺激周期期间当所述刺激器从所述电极传递电刺激时提供次级输出，其中，所述次级输出包括以下项中的至少一个或多个：触觉输出，视觉输出，振动输出。
32.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述程序使所述处理器基于所述表现度量来调节所述电刺激参数中的一个或多个，所述电刺激参数包括：强度，电流幅值，频率，持续时间，工作循环，时间/天数，脉冲持续时间，突发频率，突发持续时间，或总治疗期。
33.如权利要求24所述的装置，其特征在于，存储有所述程序的所述非暂时性计算机可读存储介质被配置成在智能手机或平板电脑的处理器上操作。
34.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述程序使所述处理器重复地提出所述手动训练任务、估计所述表现度量、调节所述电刺激、以及发送经调节的刺激参数。
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