CN110448797B - 用于治疗或支持人类身体的一部分的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于治疗或支持人类身体的一部分的系统和方法。包括一种商品，所述商品包括与患者的人类组织接触并且被配置成获得人类组织的功率耗散读数的传感器。所述商品还包括用于在其上有形地存储供处理器执行的程序的存储介质。所述系统还包括控制单元，其与所述商品通信从而形成电肌肉刺激(EMS)系统，所述电肌肉刺激系统通过闭环方式使用反馈来自身调谐输出的电属性。

Description

用于治疗或支持人类身体的一部分的系统和方法
本申请是申请日为2014年3月14日、申请号为201480013922.4，发明名称为“用于治疗或支持人类关节或者人类身体的一部分的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2013年9月9日提交的标题为“Systems and Methods forTreating Human Joints(用于治疗人类关节的系统和方法)”的美国专利申请No.14/021,387和2013年3月14日提交的标题为“Systems and Methods for Treating Human Joints(用于治疗人类关节的系统和方法)”的临时专利申请No.61/784,927的权益，通过引用的方式将所述专利申请的内容合并在此。
技术领域
本公开内容涉及用于治疗或支持人类关节或者人类身体的一部分的系统和方法，更具体来说涉及用于通过支持和电肌肉刺激与闭环反馈系统的组合来治疗或支持人类关节或者人类身体的某一部分的系统和方法。
背景技术
矫形护具(orthopedic brace)作为防止由于关节的运动或指向超出关节的生物力学极限而导致关节受伤的预防性辅助是有用的。矫形护具在关节受伤或手术之后促进关节的适当康复方面也是有用的。护具作为稳定患有关节炎的关节的方法也是有用的，从而可以减轻疼痛。
在受伤、经历手术或者当患有关节炎时(这些都是可能导致肌肉萎缩的状况)，患者通常求助于理疗师来强化其(多块)肌肉。在锻炼和拉伸开始之前，患者可以在理疗开始时接收电肌肉刺激(EMS)以放松其肌肉。EMS还被治疗师使用来(按照健康护理提供者所开出的处方)强化已经萎缩的肌肉。但是针对肌肉强化的EMS递送并不是最优的，因为这只有在患者与治疗师在一起时才能够实施。此外，当前的治疗实现方式对于患者而言是痛苦的。
因此，仍然需要更适合于允许患者更加经常地对其自身进行治疗的刺激，而不是只有在去理疗时才能实现。
发明内容
在一个方面中，一种系统和方法包括一种商品(good)，所述商品包括电极，所述电极包括传感器，所述传感器与患者的人类组织(例如皮肤)接触并且被配置成获得患者的人类组织(例如其中一块或多块肌肉、皮肤、组织、脂肪层等等)的功率耗散的度量。所述商品还包括用于在其上有形地存储供处理器执行的程序的存储介质。虽然所述商品在这里被描述成软商品(例如柔性膝部护具)，但是所述商品也可以替换地是硬商品(例如刚性敷料)。
所述系统和方法还包括控制单元，其与所述软商品通信从而形成电肌肉刺激(EMS)系统，所述电肌肉刺激系统通过闭环方式使用反馈来自身调谐输出的电属性。所述控制单元被配置成指示传感器：(a)向人类组织施加感测脉冲；(b)测量感测脉冲的功率耗散；(c)基于所测量的功率耗散调节刺激脉冲；(d)基于功率耗散并且基于所述程序向人类组织施加刺激脉冲，以便在每一个脉冲上保持恒定的功率输出；以及(e)重复步骤(a)-(d)。
在EMS循环期间产生的感测脉冲产生低电阻通路，从而允许其使用最低所需功率来产生有意义的结果。这意味着由设备产生的电肌肉刺激对于用户而言没有那么痛苦。
通过测量源功率(例如以瓦特计，通过同时测量电压和电流来确定)与返回功率(例如以瓦特计，通过同时测量电压和电流来确定)之间的差异来计算功率耗散。
在一个实施例中，提供一种包括刚性框架的膝部护具，其具有通过铰链连接的上方部分和下方部分。可以将多个电极部署在护具的上方和/或下方部分上。在另一个实施例中，提供一种包括柔性套筒的膝部护具，其被配置成穿戴在患者的膝部上。所述柔性套筒例如可以包括织物、橡胶或其他材料的薄片，其被适配成缠绕膝部并且通过紧固装置作为套筒固定在其上，所述紧固装置比如是拉链、按钮、卡扣、Velcro(例如钩环紧固器)等等。可以将多个电极部署在柔性套筒上。在一些实施例中，所述电极可以被部署在硬商品(例如刚性框架)和软商品(例如柔性套筒)全部二者上。在所有实施例中，电极可以永久性地贴附商品或者可以可移除地贴附到商品，从而可以很容易将其移除并且重新定位在商品上。在一个实施例中，所述电极将包括背衬(backing)，所述背衬包括钩环紧固器的一个组件，其中所述商品可以包括钩环紧固器的另一个组件，从而可以将电极可逆地贴附到商品上。
在一个实施例中，软商品为患者提供支持。软商品例如可以是护具、套筒、吊腕带、衣服、包裹、敷料和/或束带。控制单元可以指示传感器在患者移动时将前后一致的脉冲施加到人类组织上，这由于从传感器到控制单元的关于用户的人类组织的功率耗散的反馈而成为可能。在一个实施例中，存储介质包括标识软商品是何物的数字标识符。该标识符例如可以是标识软商品的类型的数值代码。被选择执行的程序可以是基于所述标识符。所述程序可以包括对应于每一种类型的软商品的特定波形治疗协议。在一个实施例中，控制单元执行包含在软商品上的存储装置中的程序。
软商品可以是短护具，其包括作为所述短护具的一部分的套筒。软商品可以替换地是长护具，其包括通过铰链连接到所述长护具的可移除套筒。
在一个实施例中，所述传感器包括润湿剂或凝胶。所述传感器可以向控制单元传达患者皮肤的干燥度(dryness)。
在一个实施例中，如果对于功率耗散的测量超出预设边界，则传感器将不会施加相应的刺激脉冲。通过超出人类组织的击穿电压，每一个感测脉冲产生或保持经过人类组织的导电通道。
所述系统还可以包括对于每个刺激通道存在的专用的电压控制的电力供应装置，从而消除对于刺激信号的生成的功率输出的时间划分。在相同的时域内可能有两个或更多具有不同电压的同时刺激脉冲。
所述系统还可以包括光学耦合的FET以便在最小EM/RF生成下生成刺激脉冲，从而使得能够在敏感的医学装置附近使用所述系统。在一个实施例中，所述单元可以被直接部署在手术环境中。所述设备的一个实施例可以包含多个EM/RF屏蔽，以便防止与其他电子设备的辐射耦合。
在一个方面中，一种用于控制对患者的人类关节或身体部位进行治疗的护具的控制单元包括处理器和存储介质，所述存储介质用于在其上有形地存储电刺激控制程序，并且用于在其上有形地存储供处理器执行的程序逻辑。所述程序逻辑包括由处理器执行的接收逻辑，以便从与患者皮肤接触的传感器接收人类组织的功率耗散读数，以及由处理器执行的通信逻辑，以便与传感器通信从而形成使用反馈进行自身调谐的电肌肉刺激(EMS)系统，所述通信逻辑被配置成指示传感器：(a)向人类组织施加感测脉冲；(b)测量感测脉冲的功率耗散；(c)基于所测量的功率耗散调节刺激脉冲；(d)基于功率耗散并且基于所述程序向人类组织施加刺激脉冲，以便在每一个脉冲上保持恒定的功率输出；以及(e)重复步骤(a)-(d)。
在一个实施例中，所述通信逻辑包括由处理器执行来与护具进行通信的护具通信逻辑，其中所述护具为患者提供支持，并且是护具、套筒、吊腕带、衣服、包裹和/或束带。所述接收逻辑可以包括标识符接收逻辑，其由处理器执行来从控制程序接收标识护具的标识符。
通过参照后面的详细描述和附图，本领域技术人员将认识到前述和其他方面和实施例。
附图说明
在所附权利要求书中具体阐述了本公开内容的新颖特征。通过参照后面阐述了其中利用了本公开内容的原理的说明性实施例的详细描述以及附图，将会更好地理解本公开内容的特征和优点：
图1A是根据本公开内容的一个实施例的安放到患者膝部上的膝部护具的不完整透视图；
图1B是膝关节的透视图；
图2是根据本公开内容的一个实施例的安放到患者膝部上的膝部护具的更加详细的不完整透视图；
图3是根据本公开内容的一个实施例的与计算设备通信的图1的膝部护具的方框图；
图4是根据本公开内容的一个实施例实施的步骤的一个实例的流程图；
图5是根据本公开内容的一个实施例的膝部护具的透视图；
图6是根据本公开内容的一个实施例的膝部护具的控制电子装置的透视图；
图7是根据本公开内容的一个实施例的膝部护具的传感器的透视图；
图8是根据本公开内容的一个实施例的连接到控制单元的软商品的透视图；
图9是根据本公开内容的一个实施例的连接到控制单元的软商品的透视图；
图10A是示出了根据本公开内容的一个实施例的由电极/传感器传送到人类组织中的信号的信号图；
图10B是示出了根据本公开内容的一个实施例的由控制电子装置实施的步骤的流程图；
图11是示出了根据本公开内容的一个实施例的由电极/传感器传送和接收的刺激脉冲与接收脉冲之间的传播延迟的信号图；
图12是示出了根据本公开内容的一个实施例的由电力供应装置产生的电力供应信号的信号图；
图13是根据本公开内容的一个实施例的可以测量通道中的电极的动态属性的电路的方框图；
图14是根据本公开内容的一个实施例的用以测量源电压和源电流的模拟感测电路；
图15是根据本公开内容的一个实施例的用以生成刺激脉冲的电路的电路图；以及
图16是根据本公开内容的一个实施例的输入波形、所期望的输出波形以及目标电压的波形图。
具体实施方式
现在将参照本申请的附图更加详细地讨论各个实施例。在附图中，相同的和/或相应的单元由相同的附图标记表示。
这里公开了各个实施例；但是应当理解的是，所公开的实施例仅仅是为了说明可以通过多种形式具体实现的本公开内容。此外，结合各个实施例给出的每一个实例意图是说明性而非限制性的。此外，附图不一定是按比例绘制的，某些特征可能被夸大以示出特定组件的细节(并且在附图中示出的任何尺寸、材料和类似细节都意图是说明性而非限制性的)。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不应当被解释成作出限制，而仅仅是作为教导本领域技术人员通过各种方式采用所公开的实施例的代表性基础。
下面将参照构成本发明的一部分的附图更加完全地描述本发明的主题内容，其中附图作为说明示出了具体的示例性实施例。但是本发明的主题内容可以通过多种不同形式来具体实现，因此所涵盖的或者要求保护的主题内容应当被解释成不受限于这里所阐述的任何示例性实施例；提供示例性实施例仅仅是出于说明的目的。举例来说，本发明的主题内容特别可以被具体实现为方法、设备、组件或系统。相应地，实施例例如可以采取硬件(例如电子硬件和/或物理机械硬件)、软件、固件或者其任意组合(而不是软件本身)的形式。因此，后面的详细描述不应当被解释成作出限制。
后面将参照方法和设备的方框图和操作图示来描述本公开内容。应当理解的是，方框图或操作图示的每一个方框以及方框图或操作图示中的方框组合可以通过模拟或数字硬件以及计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机、ASIC、FPGA或其他可编程数据处理装置的处理器，从而使得通过所述计算机或其他可编程数据处理装置执行的指令实施在方框图或者一个或多个操作方框中规定的功能/动作。
在一些替换的实现方式中，在方框中提到的功能/动作可以按照不同于在操作图示中提到的顺序发生。举例来说，相继示出的两个方框实际上可以被基本上同时执行，或者各个方框有时可以按照相反的顺序被执行，这取决于所涉及的功能/动作。此外，在本公开内容中作为流程图给出并描述的方法的实施例是作为举例而给出的，以便提供关于技术的更加全面的理解。所公开的方法不限于这里所给出的操作和逻辑流程。此外还设想到替换的实施例，其中各项操作的顺序被改动，并且其中被描述成更大的操作的一部分的子操作被独立地实施。
在说明书和权利要求书中，在明确表明的含义之外，术语可能还具有在情境中所暗示或暗含的具有细微差别的含义。同样地，这里所使用的短语“在一个实施例中”不一定指代相同的实施例，并且这里所使用的短语“在另一个实施例中”不一定指代不同的实施例。所要求保护的主题内容意图包括整体的或部分的示例性实施例的组合。
一般来说，从情境中的使用可以至少部分地理解术语。举例来说，例如这里所使用的术语“和”、“或”或者“和/或”可以包括多种含义，其至少部分地取决于在其中使用此类术语的情境。通常来说，如果“或”被用来将一个列表相关联，比如A、B或C，则意图表明这里在包含性意义下使用的A、B和C，以及这里在排他性意义下使用的A、B或C。此外，至少部分地取决于情境，这里所使用的术语“一个或多个”可以被用来以单数意义描述任何特征、结构或特性，或者可以被用来以复数意义描述特征、结构或特性的组合。类似地，至少部分地取决于情境，例如“一个”、“一项”或“某一”之类的术语同样可以被理解成传达单数使用或传达复数使用。此外，术语“基于”可以被理解成不一定意图传达排他性的因素集合，而是可以允许存在不一定被明确描述的附加因素，这同样至少部分地取决于情境。
虽然后面被描述为与患者膝部相关联的护具，但是这里所描述的护具可以被用来保护任何人类关节，比如臀部、肩部、脚踝、肘部、手腕、脊柱和/或背部。此外，所述护具可以被用来在手术之后、针对关节炎、在受伤之后等等治疗或者被开出处方/推荐治疗关节。
正如后面更加详细地描述的那样，人类膝部通常包括大腿和小腿肌肉之间的活动关节(articulated joint)，其在人站立、行走或跑动时支持人类身体的重量。膝关节主要由四条韧带固定在一起：即前十字韧带(ACL)，后十字韧带(PCL)，内侧侧韧带(MCL)，以及外侧侧韧带(LCL)。膝关节可能会由于导致软骨损伤和韧带劳损(strain)的伤病而被弱化或损伤，这可能是外伤、重复性体育活动或者过度激烈的锻炼的结果，或者可能是例如随着关节炎而发生的生理问题的结果。具体来说，特别在跑动和跳跃移动期间，人类膝部可能会受到多种损伤性应力(stress)和劳损。特别是运动员容易作为膝部受到撞击或者膝部扭转的结果而招致膝伤，这在许多有身体接触的运动或高应力运动中经常可能发生，比如足球、篮球或滑雪。
在市场上或者通过健康护理提供者可以获得多种膝部护具。这些膝部护具的范围包括从尝试完全固定膝部的护具到功能性护具，所述功能性护具可以简单地是柔性弹力绷带，其意图提供一定灵活性并且同时消除支持膝部的韧带的侧向移动。这些产品当中的一些意图作为用于长期佩戴的相对永久性的设备而被佩戴，另一些则意图对于较短时间段被佩戴以便在费力的活动期间支持弱化的膝部。这些功能性护具的主要目的是允许膝部弯曲，同时防止可能恶化膝部韧带的任何不自然的移动。一些护具意图在膝关节上提供恒定的或可变的“减荷(unloading)”力以减轻疼痛，比如由于骨关节炎而导致的疼痛。虽然功能性护具意图在人行走、跑动、跳跃、滑冰等等时允许膝关节的自然移动，其还意图防止大腿和小腿向一侧或另一侧的突然移动，并且防止小腿围绕垂直轴相对于大腿的扭转或旋转，以及/或者向关节提供缓解疼痛的力。
图1A是被安放到人/患者的腿部110上的膝部护具105的不完整透视图。在一个实施例中，护具105意图控制大腿的移动，以便保护ACL免于过度的旋转或牵伸。在一个实施例中，护具105是闭环系统，其基于接收自护具105的反馈提供电肌肉刺激(EMS)。所述反馈可以是基于所施加的EMS以及膝部对于EMS的响应。所述反馈可以是各种类型的反馈的任意组合。
护具105包括近端120和远端125。近端120通常与人的股骨物理接触。远端125通常与人的胫骨物理接触。护具105被显示成在膝部115处具有开口。虽然被显示成具有开口，但是护具105也可以替换地在膝部115处是封闭的。
在一个实施例中，护具105的近端120和远端125通过枢轴接合处或铰链130连接。当人弯曲他或她的膝部115时，枢轴接合处130允许护具105在接合处130处屈曲。正如后面更加详细地描述的那样，在一个实施例中，枢轴接合处130包括数字位置编码器135，其确定膝部115的绝对位置。位置编码器135可以通过数字方式将膝部115的这一位置作为反馈提供到护具105，以使得护具105基于所传送的位置来记录位置(或者在另一个实施例中调节位置)。虽然护具105被显示成具有一个枢轴接合处130，但是护具105还可以在护具105的另一侧包括第二枢轴接合处，其把近端120的另一侧连接到远端125的另一侧。护具105可以由多种材料制成，比如由金属、泡沫、塑料、弹性材料、复合材料和束带的组合制成。
护具105可以通过一个或多个连接器140、150被固定到人的身体。在一个实施例中，连接器140、150是连接到护具105或者连接到对应的连接器140、150本身的束带。虽然示出了两个连接器140、150，但是可以使用任意数目的连接器。连接器140、150可以是螺栓、螺丝、销钉、维可牢(velcro)、线绳、夹钳或者任何其他适当的连接器。
图1B示出了膝关节160的透视图。股骨165或大腿骨165连接到髌骨167或膝盖骨。关节软骨170填塞骨骼，从而缓冲关节。内侧侧韧带(MCL)172在膝关节内侧向下延伸，并且将股骨165连接到胫骨175(shinbone)。MCL限制膝部的侧向运动。后十字韧带(PCL)177也连接股骨165和胫骨175。PCL 177限制胫骨175的后向运动。外侧侧韧带(LCL)180在膝部的外侧延伸。LCL限制侧向运动。前十字韧带(ACL)182在膝部的中心将股骨165连接到胫骨175。ACL 182限制胫骨175的旋转和前向运动。半月板185是吸收关节160中的冲击的软骨。
此外还参照图2，护具105包括附着到护具105或者嵌入在其中的控制电子装置210。虽然被显示成位于护具105的近端120中，但是控制电子装置210可以被嵌入在护具105的任何位置处，比如嵌入在护具105的远端125内，嵌入在枢轴接合处130内，以及/或者嵌入在其中一个或多个连接器140、150内。此外，控制电子装置210可以通过一条或多条线缆或连线附着到护具105。在一个实施例中，控制电子装置210的其中一个或多个组件可以从护具105移除。
在一个实施例中，控制电子装置210允许与护具105接触的一块或多块肌肉的EMS。具体来说，护具105包括位于整个护具105内的特定位置处的一个或多个传感器/衬垫/电极(例如传感器215、220、225、230)。虽然图2中示出的护具105包括位于护具105的近端120中的两个传感器215、220以及位于护具105的远端125中的两个传感器225、230，但是传感器215、220、225、230可以在任何位置处具有任何配置。此外，虽然护具105被显示成具有四个传感器215、220、225、230，但是可以使用任意数目的传感器(例如六个传感器)。此外，传感器215、220、225、230可以是任何形状和任何尺寸，比如圆形或椭圆形。此外，传感器215、220、225、230可以是可移动的(例如位于护具中但是可以由医生或患者移动)。举例来说，传感器215、220、225、230可以在近似3英寸的圆圈/直径内移动。在一个实施例中，传感器215、220、225、230是可移动的，但是利用强Velcro材料固定。在一个实施例中，所述传感器是电极或电接触件，其可以传送电压、电流和/或功率以及/或者对其作出响应。在一个实施例中，所述传感器是无源的——其不包括放大器或任何处理装置。
在一个实施例中，围绕膝部的传感器将被如下定位：1)股内斜肌的运动点，2)股外侧肌的运动点，以及3)远端中心肌腱(distal central hamstring)的运动点。在一个实施例中，没有放置在小腿肌肉上的传感器或电极。
在一个实施例中，传感器215、220、225、230位于护具105的内壁上，从而使得传感器215、220、225、230与人的皮肤发生接触。每一个传感器215、220、225、230可以取得人的人类组织上的功率耗散读数，以便确定控制电子装置210对人的“电击”有多少(也就是说传感器215、220、225、230产生/施加到人的人类组织的电流或电压或功率有多少)。在一个实施例中，可以从所述功率耗散读数确定皮肤电阻。人类身体的大部分电阻处于皮肤中——表皮(皮肤的外层)的死去的干细胞通常是较差的导体。取决于人，干皮肤的电阻通常处在1000-100000欧姆之间。如果皮肤是湿的并且具有电解溶液(例如来自汗液或水分)，则皮肤的电阻较低。传统的传感器基于假设人的皮肤的电阻是500欧姆而向人的皮肤施加恒定电流。不同于传统的传感器，护具105的传感器215、220、225、230测量人的人类组织的功率耗散，并且基于这一测量调节输出电流/电压/功率。因此，由其中一个或多个传感器215、220、225、230输出的电力的数量是基于人的人类组织的电读数。在一个实施例中，所述读数在人的皮肤产生两个传感器(例如传感器215、220或传感器225、230)上的闭合电路时发生。举例来说，当某人佩戴护具105时，此人的腿上的皮肤闭合传感器215与传感器220之间的电路，从而允许功率因数读数发生。一旦这一读数被传送到控制电子装置210，电子装置210就调节由传感器产生的电流/电压/功率输出，以便刺激此人腿上的肌肉。
在一个实施例中，传感器215、220、225、230在经过预定时间段之后周期性地测量患者的功率耗散因数(例如每5ms)。在另一个实施例中，医疗专业人员可以指示控制电子装置210在特定时间或者对于给定时间量取得读数(例如从下午6点到下午7点每5ms测量功率耗散)。医疗专业人员或者护具105本身还可以被编程来在一个或多个预定时间或者按照特定时间表“电击”患者。
此外，传统的传感器或衬垫通常需要使用电解凝胶以促进由所述衬垫输出的电流/电压/功率的传导。与传统的传感器不同，一个实施例中的传感器215、220、225、230不与凝胶一同使用。相反，传感器215、220、225、230是导电硅材料，其与人的人类组织产生电连接(例如通过汗液、水分或皮肤本身)。在一个实施例中，传感器215、220、225、230是硅，并且具有灌注到硅中的导电材料(例如金属)，比如硅镍。还可以使用其他导电材料，比如铝和/或碳颗粒。在一个实施例中，所述电极衬垫时来自Stockwell elastomerics的填充有碳的硅酮薄片，部件编号SE 65-CON。
此外，许多传统的衬垫粘附到患者皮肤上以便与皮肤充分接触。这样会导致问题，比如衬垫的粘性在移除或移动衬垫时(例如随着护具移动或弯曲)将导致移除毛发或皮肤。与这些传统的传感器不同，在一个实施例中，传感器215、220、225、230不使用任何粘性物质来连接到患者的皮肤。相反，传感器215、220、225、230可以通过传感器215、220、225、230在护具105中的放置与人类组织(例如皮肤)发生物理接触。在另一个实施例中，传感器215、220、225、230与凝胶一同使用。在一个实施例中，所述系统可以运行全部两种类型的衬垫——带有凝胶的衬垫和不带有凝胶的衬垫。
控制电子装置210接收来自其中一个或多个传感器215、220、225、230和/或位置编码器135的反馈，从而形成闭环系统。具体来说，护具105通过其中一个或多个传感器215、220、225、230向肌肉递送EMS，并且基于通过传感器215、220、225、230获得并且被传送到控制电子装置210的读数来调节由其中一个或多个传感器215、220、225、230递送的电流/电压/功率的数量。
在一个实施例中，控制电子装置210包括微处理器(例如由Ltd.(San Jose，CA)开发的/>CORTEXTM微处理器)，其具有一块或多块电池以及例如Bluetooth收发器/模块之类的通信模块。控制电子装置210可以通过传感器215、220、225、230并且通过任何类型的波形或信号来提供刺激，比如抛物线弧形(例如和缓地开始并且逐渐提高)、正弦波、余弦波、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)、方波、锯齿波等等。此外，控制电子装置210可以提供具有任何脉冲持续时间和任何脉冲宽度的波形。
在一个实施例中，传感器和电刺激电极共享共同的接触点。在一个实施例中，包括MOSFET以建立两个阶段之间的开关——一个阶段与另一个阶段完全隔离。作为该隔离与知道多少能量已进入到系统中相组合的结果，可以获得功率耗散的准确读数。为了确定何时输入感测脉冲与何时输入刺激脉冲的关系，已经知道在刺激脉冲中输入的内容，并且随后控制电子装置210以更高的电压输入感测脉冲。但是由于在感测脉冲中输入了更高的电压，来自刺激阶段的任何残留电压都不重要，这是因为电压已被升高到新的水平以进行感测阶段。因此，在取得功率耗散的读数之前，电压被自动升高。如果电压没有被升高，则将从刺激脉冲获得/读取残留电压。因此这样就不再需要应对残留电压。这是控制电子装置210绕开组织中的电容和电压的方式。控制电子装置210升高整个区域的电压，并且消除残留电压的问题，并且随后可以确定功率耗散。
在另一个实施例中，控制电子装置210基于来自位置编码器135和/或传感器215、220、225、230的反馈调节递送到传感器215、220、225、230的电流/电压/功率。在一个实施例中，其中一个或多个传感器215、220、225、230根据膝部的位置而有不同的行为。此外，功率损耗对于每一个人有所不同并且在操作过程中会发生改变，并且控制电子装置210可以通过传感器215、220、225、230反复测量患者的功率耗散，并且基于这些读数反复调节输出电流/电压/功率。因此，在一个实施例中，医疗专业人员可以对于A个人将护具设定到第3级刺激，这是因为A个人具有敏感的皮肤，并且可以对于B个人将护具设定到第6级刺激，这是因为B个人具有“粗厚”皮肤并且对于刺激没有那么敏感。在另一个实施例中，基于反馈自动设定刺激水平。在另一个实施例中，患者通过护具105上的旋钮或控制设定刺激水平。
在一个实施例中，由控制电子装置210输入的信号是恒定电流信号，并且提供可变电压以便尝试保持恒定功率输出。在一个实施例中，改变电流和/或电压以便尝试递送恒定功率。在一个实施例中，在输入每一个刺激信号之前，控制电子装置210首先输入测试信号(例如200伏特)(例如前面所提到的感测脉冲)以便击穿人类组织的电介质常数。该测试信号产生电离通道或者具有更高电导率的通道。在将测试脉冲输入到人类组织中之后，将刺激脉冲输入到人类组织中，从而允许刺激脉冲具有较低电压并且从而具有较低的总功率。基于来自测试脉冲的读数调节刺激脉冲。因此，控制电子装置210在每一个刺激脉冲之前测量功率耗散。如果检测到电开路或者检测到电短路(例如如果患者落到水中)，则该测试脉冲是刺激脉冲不激发的原因。
正如后面更加详细地描述的那样，护具105将由控制电子装置210生成的数据以及/或者由传感器215、220、225、230和/或位置编码器135提供的反馈传送给医疗专业人员(例如医生、外科医生和/或理疗师)。医疗专业人员可以基于该数据调节护具105。举例来说，护具105可以基于EMS和/或(通过位置编码器135获得的)膝部115的运动范围测量膝部115周围的肌肉正变得有多强壮。正如后面更加详细地描述的那样，医疗专业人员可以利用该反馈和数据来调节对于患者的治疗。举例来说，医疗专业人员可以基于这些读数调节护具105。因此，护具105提供保护关节并且同时刺激关节周围的(多块)肌肉的组合。
此外，运动员或教练可能对于控制电子装置210所产生的统计量感兴趣，比如在受伤之后或恢复期间确定运动员的关节可以移动多少。作为一个具体实例，棒球队的投球教练可能对于与投球手的投球手臂的移动相关联的统计量感兴趣。
在一个实施例中，控制电子装置210包括一个或多个控制程序，医疗专业人员或患者可以从中进行选择和/或编程。所述控制程序可以是动态的(例如是可改变或可变化的，不具有固定频率，不具有固定定时，不具有固定波形等等)，并且导致在患者身体的不同部位上执行不同类型的EMS。举例来说，如果来自控制电子装置210的反馈数据表明患者的股内斜肌正变得更强壮，而患者的远端中心肌腱(或者在另一个实施例中是患者的小腿肌肉)没有在变得更强壮，则医疗专业人员(例如医生或理疗师)可以通过这些程序当中的一个或多个程序指示护具105执行预定的控制程序。该预定控制程序可以使得传感器215、220输出7mA的DC电流30秒，随后输出5mA的电流20秒。所述预定控制程序还可以使得传感器225、230输出1mA的电流50秒，从而与患者的远端中心肌腱(或者在另一个实施例中是患者的小腿肌肉)相比向患者的股内斜肌提供显著更多的刺激。在一个实施例中，护具105包括对应于手术后第一周的特定程序，对应于手术后第一个月的特定程序，对应于关节炎的特定程序等等。
在一个实施例中，护具105包括认证按钮250。认证按钮250是必须由患者按下以便执行程序的按钮。因此，认证按钮250是护具105的安全特征——在护具的佩戴者按下认证按钮250之前，护具105无法被破解或者被导致执行一个或多个刺激程序或动作。举例来说，如果医疗专业人员远程访问控制电子装置210并且尝试使得护具105针对患者执行特定的肌肉刺激或者调节护具105的运动范围，则在患者按下认证按钮250之前，护具105将不会执行刺激或调节运动范围。
控制电子装置210还可以包括显示器240。显示器240可以显示与护具相关联的统计量，比如传感器215、220、225、230正在测量到多少功率耗散，传感器215、220、225、230正在递送多少电流/电压/功率，位置编码器135的角度，正在执行的程序或过去执行的程序，日期，时间，患者的下一次预约(例如与医生或理疗师)，关节在固定时间段内的平均运动范围，或者与护具105相关联的任何其他信息。在一个实施例中，控制电子装置210包括键盘以便允许用户向护具105提供输入。
护具105还可以具有视觉反馈。举例来说，可以在护具105上放置一个或多个LED以用于向患者提醒特定情况。举例来说，当护具105正在等待患者按下认证按钮250时，某一LED可以点亮。
此外，护具105可以向例如与用户或医疗专业人员相关联的计算设备传送所生成的数据(反馈数据)。由于护具105与计算设备的通信，如果检测到电开路，可以向医疗专业人员通知或者其将发现患者没有在佩戴护具。类似地，如果患者落到水池中，由于检测到电短路，因此医疗专业人员也将知道这一点。
在一个实施例中，医疗专业人员或护具105可以把由护具105生成的数据传送给保险公司。保险公司随后可以从该数据确定患者是否正在实施他或她的锻炼、是否整天都在佩戴护具等等。这可能会影响到由保险公司提供的保险(例如如果患者整天佩戴护具并且进行锻炼，则降低保险费)。在一个实施例中，在开出护具的处方时，例如医生之类的医疗专业人员可以请求或者获得特定的保险退款。在一个实施例中，特定的险种(insurancecode)可用于由医疗专业人员开出护具的处方。
在一个实施例中，护具105是减荷器(unloader)护具。通常为患有中间室(膝部的内部部分)膝部骨关节炎的人开出减荷器护具的处方。这些膝部护具通过在大腿骨上施加压力而从受影响的关节减荷应力。这样就迫使膝部弯曲离开疼痛区域。因此，减荷器护具是在膝部的一个部位上更强并且更具刚性的护具。在一个实施例中，护具105在膝部的一个方向上施力。在一个实施例中，适配器工件(adapter piece)附着到护具105上以施加这样的力，从而形成减荷器护具。
护具105还可以被配置成提供不同肌群的共耦收缩(co-coupled contraction)。举例来说，四个传感器(例如包括传感器215和220)可以被放置在四头肌上，并且两个传感器(例如传感器225和230)可以被放置在腱肌(hamstring muscle)上。护具105可以在不同时间或者同时刺激全部两组肌肉，比如在相同或不同的频率、式样和/或波形下刺激。举例来说，当护具105以第一速率激活或激发传感器215和220时，护具105可以在较慢的第二速率下(或者在另一个实施例中是在相同速率下)激活或激发传感器225和230。通过在不同于四头肌的频率下(或者在相同的时间)激发肌腱会导致共耦收缩。肌腱(拮抗肌群)与四头肌的激发导致全部两组肌肉的强化。即使当仅有其中一个肌群萎缩时，对于拮抗肌群(antagonistic muscle group)的刺激也会强化全部两组肌肉。在一个实施例中，护具105可以被编程来对于第一肌肉执行第一程序，并且对于第二拮抗肌执行第二程序。在一个实施例中，医生将传感器215、220、225、230定位在护具105上以使得这一共耦收缩发生。在另一个实施例中，传感器215、220、225、230被集成地定位在护具105内，以导致不同肌群的共耦收缩。
在一个实施例中，护具105包括数据收集体温计，其可以确定患者的体温并且基于该体温调节其中一个或多个传感器215、220、225、230和/或控制电子装置210。
参照图3，护具105(控制电子装置210)可以被配置成与计算设备300通信(例如无线通信或者通过有线连接通信)。计算设备300的实例包括而不限于个人计算机、数字助理、个人数字助理、移动电话、智能电话、平板设备或者膝上型计算机。计算设备300可以是患者的设备，或者与医疗专业人员相关联的设备。这样可以允许医疗专业人员取回并且分析传送自护具105的数据。在一个实施例中，该数据被实时传送，从而使得医疗专业人员能够在任何时间分析所述数据并且/或者调节护具105。
计算设备300是适于被配置成从介质和/或网络端口读取指令的逻辑装置。计算设备300可以连接到因特网或内联网。设备300包括中央处理单元(CPU)302、一个或多个存储器(例如RAM 324和/或ROM 326)、可选的输入设备(其被显示成键盘318和/或鼠标320)以及可选的监视器308。在一个实施例中，计算设备300与服务器计算机通信或者就是服务器计算机。计算设备300可以包括用于传送和/或接收数据的任何适当的装置。举例来说，计算设备300可以具有网络连接、无线连接或互联网连接。此外还设想到，可以通过这样的网络或连接来传送与本公开内容有关的数据。
计算设备300能够或者在至少某些情况下适于执行多种计算应用338，其中包括计算应用、计算小应用程序(applet)、计算程序或者用于在计算设备300上操作以便实施至少一项功能、操作和/或规程的其他指令。计算设备300可由计算机可读存储介质控制，所述计算机可读存储介质用于有形地存储可以采取软件形式的计算机可读指令。能够或者在至少某些情况下适于有形地存储计算机可读指令的计算机可读存储介质可以包含用于计算设备300的指令，以便存储和访问计算机可读存储介质从而读取存储在其自身上的指令。这样的软件可以在CPU 302内执行，以使得计算系统300能够实施所期望的功能。
本领域技术人员将认识到，计算机可读介质存储计算机数据，所述数据可以包括可由计算机按照机器可读形式执行的计算机程序代码。作为举例而非限制，计算机可读介质可以包括用于有形的或固定的数据存储的计算机可读存储介质，或者用于包含代码的信号的瞬态解释的通信介质。这里所使用的计算机可读存储介质指的是物理或有形存储装置(而不是信号)，并且包括而不限于按照用于有形信息存储的任何方法或技术所实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除存储介质，其中所存储的信息比如有计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机可读存储介质包括而不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD或其他光学存储装置、磁盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁性存储设备、或者可以被用来有形地存储所期望的信息或数据或指令并且可以由计算机或处理器访问的任何其他物理或实物介质。
在操作中，CPU 302获取、解码并且执行指令，并且通过计算机的主要数据传输路径(系统总线340)向/从其他资源传输信息。这样的系统总线连接计算设备300中的各个组件，并且定义用于数据交换的介质。针对RAM 324和/或ROM 326的访问可以由存储器控制器322控制。存储器控制器322可以提供地址翻译功能，其在指令被执行时将虚拟地址翻译成物理地址。
此外，计算设备300可以包含外设控制器328，其负责把指令从CPU 302传送到外设，比如打印机342、键盘318、鼠标320和数据存储驱动器343。显示器308由显示器控制器334控制，其被用来显示由计算设备300生成的视觉输出。这样的视觉输出可以包括文字、图形、动画图形和视频。显示器控制器334包括生成被发送到显示器308的视频信号所需的电子组件。此外，计算设备300可以包含网络适配器336，其可以被用来把计算设备300连接到外部通信网络332。
作为举例，Bluetooth产品可以被用来提供护具105与移动计算机、移动电话、便携式手持设备、个人数字助理(PDA)、平板设备和其他移动设备之间的链接以及去到因特网的连接性。Bluetooth是一种计算和电信行业规范，其详细规定移动设备如何能够利用短距离无线连接很容易地彼此互连以及与非移动设备互连。
计算设备300可以利用特定应用338(其也被称作“应用(app)”)来与护具105通信以及/或者对护具105进行编程。在一个实施例中，计算设备300从通信网络332下载应用338(例如从因特网上的“应用商店”下载)。应用338可以提供向医疗专业人员提供统计量、曲线图、规范化数据、未经处理的数据、平均值(例如平均屈曲和平均牵伸)、实时数据等等。在一个实施例中，应用338提供采取由用户或医疗专业人员定制的格式的输出数据。在一个实施例中，应用338与其他程序通信，比如医院软件、字处理软件(例如Microsoft)、电子数据表软件(例如Microsoft/>)、电子邮件软件(例如Microsoft/>)、公布软件(例如Microsoft/>)等等(以便例如进一步分析或显示所述数据)。应用338可以提供图形用户接口(GUI)或基于文字的用户接口。应用338与护具105和/或数据库通信(正如后面所描述的那样)，以便显示并且分析由护具105(和/或医生)生成的数据。在一个实施例中，应用338可以对护具105进行编程，比如由患者或医生编程。在一个实施例中，并且正如前面所描述的那样，患者必须按下认证按钮250以使得护具105实际执行被远程设定的程序。
在另一个实施例中，计算设备300是特别与护具105相关联的便携式数据读取器。举例来说，当医疗专业人员将护具105提供给患者时，医疗专业人员可以将读取器300与患者的护具105同步。在后来的某一时间(例如在后续的就诊中)，医疗专业人员可以使用所述读取器从护具105捕获数据。医疗专业人员随后可以使用所述读取器来查看所取回的数据(在患者的就诊期间和/或在就诊之前)。
在至少某些配置中，用户执行浏览器以查看数字内容项目，并且可以通过网络连接到服务器，所述网络通常是因特网，但是也可以是任何网络，其中包括而不限于LAN、MAN、WAN、移动、有线或无线网络、私有网络或者虚拟私有网络。
在一个实施例中，计算设备300与数据库350通信。计算设备300可以把由护具105传送的数据存储在数据库350中。数据库350可以是计算设备300的内部数据库。或者，数据库350可以是与计算设备300通信的外部数据库。
为了保护患者保密性以及保护数据的安全性，对(通过Bluetooth、WiFi或者通过其他手段)传送自设备的使用数据进行加密，以便确保只有患者或者患者的医生可以获得对于该医学信息的访问。所述加密可以通过执行在处理器上的软件来进行，或者通过在传送数据之前对其进行处理的外部硬件来进行。在一个实施例中，每一个日志集合被唯一地关联到创建所述日志集合的设备。这可以通过由设备利用与该设备本身相关联的唯一标识符对传送自该设备的数据加标签来实现。所述唯一标识符由处理器设定或者由系统的外部组件(例如UUID芯片)设定。
数据库350例如可以由医生或医疗专业人员使用来取回、审视和/或分析来自护具105的数据。医生可以在医生的分析或针对患者的推荐中利用来自护具的数据。此外，医生可以在针对患有类似病症或伤病的其他患者的推荐中利用来自一位患者的护具105的数据。举例来说，如果医生要求正从ACL重建手术恢复的患者对于第一周执行程序1并且对于第二周执行程序2，并且如果医生看到由于这些程序使得患者膝部中的患者力量出现显著改进，则医生将可能要求正从类似的手术恢复的另一位患者在相同的时间段期间执行相同的程序。医生随后可以从全部两位患者获得数据，以便查看其对于护具105以及正由护具105执行的程序的响应如何。
在一个实施例中，护具105包括求救或应急按钮。当被按下时，所述求救/应急按钮可以向医疗专业人员(例如医生)或服务通知患者需要帮助(其例如已跌倒并且伤到自己)。所述医疗专业人员或服务可以随后去到患者的位置以便帮助患者或者向患者打电话以确定出了什么问题。在一个实施例中，通过按下应急/求救按钮导致在给定时间在数据中设定一个标志。所述标志可以表明正在执行何种EMS等等。该标志还可以向医疗专业人员表明患者在先前指定的时间没有实施他或她的EMS治疗。
图4所示出的流程图示出了在闭环反馈保护系统中实施的步骤的一个实施例。提供用于治疗患者的人类关节(例如膝部、肘部、背部、脊柱、手腕等等)的护具(步骤405)。所述护具包括传感器和控制电子装置。一个或多个传感器215、220、225、230获得功率耗散读数(步骤410)。正如前面所描述的那样，在一个实施例中，当皮肤完成两个传感器之间的电路时，所述两个传感器获得功率耗散读数。所述一个或多个传感器215、220、225、230随后将功率耗散读数传送到控制电子装置210(步骤415)。控制电子装置210基于功率耗散读数指示所述一个或多个传感器215、220、225、230将电流/电压/功率施加到人类组织上(步骤420)。这样就得到闭环反馈系统，其中护具105的输出取决于(例如汗液、人类组织等等的)功率耗散的输入读数。在一个实施例中，护具105的输出取决于来自传感器215、220、225、230的功率耗散的输入读数。
图5是包括控制电子装置510和枢轴接合处520的膝部护具505的一个实施例的透视图。图6是膝部护具505的控制电子装置510的更加详细的透视图。控制电子装置510包括连接到电路板610的电池605。电路板610包括用于护具505的编程和运作的微处理器620。图7是膝部护具720的两个传感器705、710的透视图。传感器705、710位于护具720的内壁上，从而使得护具的佩戴者的皮肤与传感器705、710发生物理接触。
在一个实施例中，护具使得患者能够在佩戴护具的同时并且在传感器正在提供EMS并且获得患者的人类组织的功率耗散的同时移动关节(例如膝部)。护具可以围绕关节(例如膝部)并且仍然允许患者运动，这是因为对于传感器没有使用粘性的粘合剂。因此，在一个实施例中，所述护具允许在患者正在进行理疗或锻炼的同时提供EMS。
在一个实施例中，控制单元连接到护具，并且对护具进行控制或编程。在一个实施例中，其中一些或全部控制电子装置位于控制单元中，而不是位于护具中或护具上。举例来说，控制单元可以(例如通过无线方式或者通过一条或多条连线)连接到传感器并且与传感器通信。控制单元可以对传感器进行编程以便运行特定程序，可以接收来自传感器的功率耗散，并且可以基于所接收到的读数调节EMS。在一个实施例中，护具包括存储与特定护具相关联的(多个)程序的存储器芯片，比如在特定时间施加到护具的波形。当控制单元连接到护具时，控制单元可以从护具上的存储器芯片读取(多个)程序，并且与传感器通信以便运行所读取的程序。在一个实施例中，控制单元从护具读取标识符，以便识别护具的类型(例如膝部护具、肩部吊腕带、套筒等等)。因此，在一个实施例中，控制单元可以与许多商品一同使用并且与之通信，比如套筒、包裹、衣服(例如短裤或压缩短裤(CAM))、护具、吊腕带等等。所述商品可以是用于任何身体部位，比如膝部、脚踝、手腕、肩部、背部、小腿、臀部、大腿、肘部等等。所述商品可以由患者在手术期间、在锻炼期间、针对关节炎或者任何其他时间来佩戴。所述商品可以是刚性或柔性的，并且在一个实施例中可以被围绕关节佩戴。
在一个实施例中，控制单元可以通过位于商品上或者连接到商品的插头或端口而与软商品连接。一旦连接，控制单元在一个实施例中可以读取将对于特定商品执行的(多个)程序，并且随后可以通过与商品上的传感器通信来执行程序。因此，单一控制单元可以被用于由患者购买或利用的(多个)任何软商品。在一个实施例中，控制单元可以(例如通过无线方式)周期性地、在设定的时间、在(多个)程序被执行时或者在任何一个或多个其他时间与医疗专业人员(例如医生)通信。在一个实施例中，控制单元是物理设备(例如患者可以将其夹到其腰带上或者例如处在商品中的口袋中)。在另一个实施例中，控制单元是驻留在智能电话或计算设备上的“应用(app)”。在一个实施例中，控制单元可以将数据下载到计算设备以供审视和/或分析。在一个实施例中，控制单元具有可以向用户(例如医疗专业人员或患者)显示选项的显示器，以便例如选择将要支持的身体部位、选择将要执行的程序(例如(多种)波形)等等。在一个实施例中，控制单元可以被用来更新存储在软商品上的信息，这例如是通过将新的程序下载到软商品中以供存储和未来执行。
图8是连接到控制单元810的商品805的一个实施例的透视图。在一个实施例中，商品805是“短护具”，其包括作为商品805的一部分的套筒/包裹815。在一个实施例中，套筒/包裹815无法与商品805分开。套筒/包裹815包括若干传感器，比如第一上方传感器对820、825和第二上方传感器对830、835，以及第一下方传感器对840、845和第二下方传感器对850、855。在一个实施例中，电流在一个传感器对的两个连接的传感器之间流动，比如在传感器820与传感器825之间流动。连接的传感器对形成一个通道。当一个通道(例如传感器820与传感器825之间)正在传导电流时，其他通道(例如传感器830、835之间的通道)正在浮动，因此在这些其他“浮动”通道之间没有电流流动。
在一个实施例中并且正如后面更加详细地描述的那样，光控场效应晶体管(photofet)被用于高频隔离。光控场效应晶体管促进噪声隔离是因为存在一个吸收带，其对于例如0.01到0.1毫秒之间的转换最小化高频噪声。任何高于该频率(高于10kHz)的噪声都被去除，并且由于晶体管(FETS)在远超出线性转换状态的情况下操作，因此驱动信号清晰并且几乎没有摆动(slew)，并且在输出电极上没有表现出后向散射。因此使用光隔离。
传感器820、825、830、835、840、845、850、855通过连线860、865连接到控制单元810。在另一个实施例中，传感器820、825、830、835、840、845、850、855与控制单元无线通信。在一个实施例中，商品805包括用于安全地放置控制单元810的托架870、875。在一个实施例中，控制单元810通过端口880插入到商品805中。商品805包括支架885、890。
图9是连接到控制单元910的商品905的一个实施例的透视图。在一个实施例中，商品905是包括护具915和护具915内部的套筒/包裹920的“长护具”。在一个实施例中，套筒/包裹920在铰链925、930处连接到护具915。铰链925、930可以是可调节铰链，比如可以在0°、45°、90°和打开之间调节的铰链。在一个实施例中，套筒/包裹920可以与护具915分开。套筒/包裹920包括若干传感器，比如第一上方传感器对935、940和第二上方传感器对945、950，以及第一下方传感器对955、960和第二下方传感器对965、970。正如前面所描述的那样，在一个实施例中，电流在一个传感器对的两个连接的传感器之间流动，比如在传感器935与传感器940之间流动。连接的传感器对形成一个通道。当一个通道(例如传感器935与传感器940之间)正在传导电流时，其他通道(例如传感器945、950之间的通道)正在浮动，因此在这些其他“浮动”通道之间没有电流流动。护具915包括支架975、980。
在一个实施例中，长护具905是具有延伸超出关节(例如膝部)的套筒/包裹920的护具915。因此，与具有附着的套筒815的短护具805不同，长护具905具有允许从套筒920移除护具915的套筒920。
在一个实施例中，每一个传感器与施加在其上的润湿剂(例如通常的手霜)包装在一起。每一个带有润湿剂的传感器例如可以在传感器上具有玻璃纸覆盖物，并且患者或医疗专业人员将在从其包装中取出商品时移除所述玻璃纸覆盖物。在一个实施例中，传感器将感测患者的皮肤有多干，并且将该信息传达给控制单元。控制单元随后可以向患者或医疗专业人员提供通知，以表明需要润湿患者的皮肤。
在一个实施例中，所述套筒、护具或商品为患者的小腿肌肉提供支持，并且电极/传感器按照如前所述的闭环方式向小腿肌肉施加EMS。因此，在一个实施例中，软商品刺激(多块)小腿肌肉以促进防止深静脉血栓(DVT)。
在一个实施例中，所述商品可以是提供腰部支持的衣服。所述衣服可以围绕髋关节，并且可以在髋关节的一侧或全部两侧具有电极并且同时还提供背部支持。在一个实施例中，电极被放置在以下各处当中的一处或多处附近：臀部、下背部以及腿部。
小腿刺激和四头肌刺激通常需要施加具有不同幅度的EMS。因此，所述闭环系统可以被用来监测幅度。一个套筒可以对不同的肌群进行操作，并且由于通过所描述的闭环系统监测肌肉对刺激的反应并且调节脉冲的幅度，因此在一个实施例中可以将一个商品(例如套筒)用于不同的肌群。
更详细来说，在一个实施例中，在每一个刺激脉冲之前获得简短的“感测脉冲”的功率耗散。基于一项或多项功率耗散测量来调节每一个刺激脉冲，以便在每一个脉冲上保持恒定的功率输出。被用来提供电刺激的每一个电极包含传感器，从而在刺激位置处确定功率耗散。
所述闭环提供了几方面的好处。举例来说，如果从感测脉冲测量的功率耗散超出预设边界，则设备将在释放刺激脉冲之前结束其刺激序列。作为另一项好处，每一个感测脉冲通过超出人类组织的击穿电压而产生或保持经过人类组织的导电通道。这一电介质击穿的产生通过降低利用给定的刺激脉冲收缩所期望的肌肉所需的功率而改进了效率和安全性。通过降低刺激脉冲的功率要求并且在每一个刺激脉冲上保持恒定的功率，消除了疼痛的电击和皮肤灼伤的风险。此外，所述单元的总体效率被大大提高，从而允许与现有单元相比减小电组件的尺寸，从而使得护具更加便携并且更容易使用。
施加恒定功率的一个优点是避免了细胞损伤的有害效果。细胞具有其所能承受的最大瓦特数。在克服了电介质常数之后，传统的单元可能会引发细胞损伤。一旦电介质常数被克服，只需要以毫瓦计的功率。因此，一旦电介质击穿发生并且有电流流动，控制电子装置210就把功率降低到固定的较低功率，其在一个实施例中可以由用户调节。
一旦确定了功率耗散，就可以在产生导电通道之后确定将要灌输到人类组织中的功率。所述通道得以保持，并且可以确定通道的特性(例如所接收的功率和所传送的功率)。从而可以确定功率耗散。
设备通过修改HV电力供应装置的驱动电压来自身调谐其电输出，以便保持所期望的输出功率(例如以瓦特计)。通过以下步骤来计算所需的功率输出：测量由电极和人类组织形成的电路的功率耗散，并且对于功率耗散测量和所需的波形数据应用一种或多种算法。
为了实现这一点，对回扫模式开关电力供应装置的输出进行修改，以便生成稳定的、经过调整的DC。通过采取这种方法而不是针对变压器的推拉式驱动器的传统方法，我们可以提供清晰的DC信号，而不是带有潜在的高频A/C的有噪声的信号。这对于准确的测量以及真实的闭环操作是至关重要的。
在一个实施例中，在每一个刺激脉冲之前测量功率耗散，并且调节刺激脉冲以便对于每一个脉冲保持恒定的功率输出。现在参照图10A，其中示出了由电极/传感器传送到人类组织中的DC信号1000。信号1000包括准备阶段1005、运行活跃阶段1010、运行休息阶段1015以及冷却阶段1020。每一个阶段包括一个感测脉冲(其在后文中被称作感测脉冲1025)，其是用以克服人类组织的电介质常数的短脉冲(以便在人类组织中产生一个离子通道，从而使得电流可以流动)，并且用以感测电路中的功率损耗以便确定在刺激脉冲中应当施加多少功率(并且确定传送刺激脉冲是否安全，正如在后面更加详细地描述的那样)。在一个实施例中，感测脉冲1025是近似10-180V并且持续1-3μs。在传送感测脉冲之后，传感器通常传送刺激脉冲(在后文中被称作刺激脉冲1030)。在一个实施例中，刺激脉冲1030是近似18-20V并且通常处于1μs到200μs的范围内。因此，在感测脉冲1025之后，电压显著下降以限制电流。随后在引入下一个刺激脉冲1030之前测量功率耗散。在一个实施例中，所传送的功率在信号极性改变之前被耗散，从而防止过零期间的电荷转移，从而确保信号保持为纯粹DC。
在一个实施例中，在感测脉冲1025的结束与刺激脉冲1030的开始之间存在一个时间间隙。所述脉冲随后切换极性。因此，在每一个刺激脉冲1030之前，传感器传送感测脉冲1025以便确定耗散了多少功率，以及递送刺激脉冲1030是否安全。在感测脉冲之后产生的信号引入以毫瓦计的非常小的功率因数。
图10B是示出了由控制电子装置实施的步骤的一个实施例的流程图。控制电子装置指示某一传感器对中的某一传感器向患者的人类组织施加感测脉冲1025(步骤1050)。所述传感器(或者所述传感器对中的另一个传感器)测量感测脉冲1025在人类组织中的功率耗散(步骤1055)。控制电子装置基于所测量的功率耗散调节刺激脉冲1030(步骤1060)。控制电子装置随后基于功率耗散并且基于商品中的程序指示传感器向人类组织施加刺激脉冲1030，以便在每一个脉冲上保持恒定的功率输出。重复步骤1050-1065(步骤1070)。
参照图11，所述(每传感器通道的)传感器对中的另一个传感器为来自刺激脉冲1030的传送的电流提供返回路径。在一个实施例中，感测脉冲1025测量需要花费多长时间在接收电极侧接收到返回脉冲1105。如果传感器确定所发送的脉冲(例如脉冲1025)与返回脉冲1105之间的传播延迟，则传感器(或控制电子装置210)可以确定将要施加的最大刺激脉冲1030。返回脉冲1105通常是方形脉冲。
如图11中所示，刺激脉冲1030与接收脉冲1105之间的传播延迟1110是刺激脉冲1030的开始时间与接收脉冲1105的开始时间之间的时间差。失真1120中的改变是两个脉冲1030、1105的脉冲宽度之间的差异。在一个实施例中，失真的改变被用来确定肌肉是否正作为电感器被充电以及肌肉是否正在存储电力。在一个实施例中，所述失真的改变是用于校准算法和另一个反馈点。在一个实施例中，与传感器一同施加的凝胶(例如水凝胶)正在引入(或增加)传播延迟。
图12示出了由电力供应装置(后面将更加详细地描述)产生的电力供应信号1200的一个实施例。电力供应信号1200包括通常持续5μs的斜升阶段1205。在一个实施例中，电压达到60V的峰值，并且随后在一个时间段之后下降到40V。在一个实施例中，电压信号随后在第二时间段之后下降到20V。所述电力供应装置可以是电压控制的电力供应装置或电流控制的电力供应装置。当需要增大电流(或电压)时，则提高功率。
对于护具或可穿戴组件的电刺激所使用的传统电力供应装置通常利用多个脉冲(电力生成和切换技术)。其常常生成24V电力供应并且随后具有变压器、H电桥，并且产生脉冲串(其具有波纹)，其中变压器对信号进行平均(例如1:10或1:20的比值)。不同于这些传统的系统，这里的电力供应装置提供具有较小斜升阶段的稳定信号，从而实现了闭环系统。
我们的输出是其电流被箝位的模拟电压。该电力供应装置允许精确的、准确的并且几乎没有噪声的测量。传统的电力供应装置基于脉冲宽度调制(PWM)引发电流。由于从PWM引入的噪声并且由于其(多个)变压器的场饱和，PWM系统不允许精确的、准确的测量。此外，该系统中的电力供应装置允许基于存储在软商品上的信息运行多种波形和协议。此外，如果确定某种协议是有害的并且不能被运行(例如由FDA确定)，则该电力供应装置允许所述系统比其他系统快得多地可操作，这是因为只需要改变软商品。
在一个实施例中，0-3.3V输入电压控制电力供应装置的完全目标范围的输出。因此，为了生成60V输出最大范围，提供3.3V以作为针对电力供应装置的参考输入。在一个实施例中，对于每个通道存在专用的电压控制的电力供应装置，这意味着不存在时间划分。传统的电力供应装置使用时间划分来向多个电极供应电力。这里则不存在时间划分。
图13是可以测量通道中的电极的动态属性的电路1300的一个实施例的方框图，所述动态属性比如是电流、电压、电阻、电容和/或电感。电池1305连接到低电压电力供应装置1310(例如5V，其供应前面提到的3.3V)，其连接到高电压(HV)电力供应装置1315。HV电力供应装置1315连接到接地1320。HV电力供应装置1315提供感测脉冲1025。在一个实施例中，HV电力供应装置1315还提供刺激脉冲1030。现场可编程门阵列(FPGA)1325连接到数字到模拟转换器(DAC)，所述数字到模拟转换器连接到HV电力供应装置1315。FPGA 1325是大规模并行微控制器计算机——程序被烧录到其上的可编程模拟芯片。FPGA 1325是基于时钟，并且是完全模拟的。因此，不存在时间划分或多路复用。虽然被描述成FPGA，但是可以使用任何可编程逻辑设备(PLD)。FPGA 1325还连接到数字电力供应装置D3V3。
HV电力供应装置1315可以获得源测量(例如电压或电流)，正如方框1330中所示出的那样。在一个实施例中，源测量方框1330是源测量电路。脉冲生成器1335连接到电极A1340(在该例中是传送电极/传感器)。脉冲生成器1335连接到FPGA 1325。
电极B 1345是代表输出的返回电极/传感器，其连接到返回测量方框(或电路)1350，所述返回测量方框1350也连接到FPGA 1325和HV接地1320。在一个实施例中，返回测量方框/电路1350与源测量方框/电路1330完全相同。在一个实施例中，FPGA 1325还连接到用于控制电路1300的LCD触摸控制器。
参照图14，其中示出了用以测量源电压和源电流的模拟感测电路。HV源1405被施加到连接到旁路1415的电阻器网络1410。在一个实施例中，第一电阻器1420是10Ω0.1％电阻器。电阻器网络1410连接到电极A 1340。旁路1415连接到具有上拉抽头(pull-up tap)的用于电力的宽迹线输入(wide trace in)和宽迹线输出(wide trace out)。电阻器1425、1430连接到第一运算放大器(op-amd)1440以便测量源电流。电阻器1430连接到第二op-amp1445以便测量源电压。电路(电路1440)的另一侧连接到电极B 1345，并且是与电阻器网络1410、旁路1415以及op-amp 1440和1445相同的电路。因此，这些电路允许测量输入功率和输出功率。虽然电阻器1420、1425、1430被显示成具有特定数值，但是这些数值是任意的，并且可以使用任何相应的电阻器数值。
图15是用以生成刺激脉冲1030的电路1500的一个实施例。因为由电路1500生成的电磁干扰(EMI)波形较低，因此电路1500使用光学耦合FET(其也被称作固态中继器(SSR)或光学FET(optoFET))来生成刺激脉冲1030。这样就防止了与精密仪器和医学装备发生干扰，从而使得该电路(因此还有利用该电路的护具)可以被使用在手术室中或者敏感的医学装备附近。
如前所述，在一个实施例中，电路1500包括控制器，其可以是FPGA 1325。控制器1325包括A输出1505、B输出1510、C输出1515、D输出1520、负载输出1525、箝位输出1530以及脉冲输出1535。这些输出可选地被提供到LED驱动器1540。LED驱动器的每一个输出被连接到LED电阻器(在后文中被称作LED电阻器1545)和LED(在后文中被称作LED 1550)。LED1550光学耦合到SSR(在后文中被称作SSR 1555)。如电路1500中所示，不同的SSR 1555连接到(多个)电极1340、1345。电路1500还包括两个负载电路器1560、1565。
LED 1550在电路1500中开启和关闭，并且在一个实施例中LED1550和SSR 1555处于受屏蔽方框箱中(或者封装在集成电路中)以便电隔离电路1500的这些组件。SSR 1555在电压差分上工作，并且不存在从栅极电压到源极或漏极的参考。在一个实施例中，一个SSR芯片包括两个SSR以及相应的LED。
箝位1530是要对电力供应装置进行箝位，从而使得当来自电力供应装置的电压需要快速下降时，所述箝位激活。箝位必须被释放，以便驱动电路1500。因此，当箝位1530和负载电阻器1560、1565接合时，负载被施加在电极1340、1345上，并且如果系统经历故障或者处于范围之外的数值，则电路1500将受到故障防护(fail safe)，并且不会对患者构成伤害。这一安全特征使得护具能够被一直佩戴，而不用担心患者所处的地方(例如汽车的驾驶员或乘客、处在游泳池中等等)。在没有充分和适当的激活的情况下，电路1500将不会简单地开启或者发送刺激脉冲。如果存在短路，则电路1500在电极1340、1345上施加负载。如果患者在佩戴利用电路1500的设备时掉落到水池中，则设备将受到故障防护。换句话说，如果发生这种情况(或者如果任何处于范围之外的输入被提供到其中一个或全部两个电极1340、1345)，患者将不会受到伤害。因此，不同于常常需要用户在特定时间量之后提高输入到肌肉或人类组织的功率的传统系统，本系统辨识出处于界限之外的信号，并且常常由于初始感测脉冲之后的功率耗散而导致电阻(随着你激活肌肉，经过肌肉的离子通道增加)和功率减小。因此，由于所述系统的闭环性质以及在每一个脉冲之后发生的决策制定处理，所述系统使得患者所经历的疼痛最小化。
当信号被施加时，SSR 1555闭合并且完成电路。负载电阻器通常被闭合，并且只有当系统通电时打开。LED电阻器1545通常是打开。电路1500不允许高电压供应达到高电压，这是因为负载电路器1560、1565被保持在其上，并且强制高电压供应关闭。这样就去除了许多单一故障点。高电压电力供应装置还可以感测过电流。
当箝位1530为高(活跃)时，这样就把负载电阻器1565从电路中移除。当负载1525为高(活跃)时，其把负载电阻器1560从电路中移除。因此，负载1525将负载电阻器1560施加在电极1340、1345上。箝位1530将其箝位到高电压电力供应装置。这种设置可以帮助校准。在一个实施例中，负载电阻器1560、1565是10Ω电力电阻器。
可选的LED驱动器1540是数字缓冲器，其是用以驱动LED 1550的电流I的源。脉冲1535活跃地为低。LED驱动器1540对脉冲信号1535进行轮询，并且随后设定方向比特。为了生成刺激脉冲1030，一种方式是使得A 1505为高(去到电极A 1340的高电压)并且D 1520为高。这样将导致电流在一个方向上流动(例如从电极A 1340流向电极B 1345)。如果C 1515为高并且B 1510为高，则电流在另一个方向上流动(例如从电极B 1345流向电极A 1340)。
图16是输入波形1605、所期望的输出波形1610和目标电压1615的一个实施例。虚线是参考线。输入波形1605是与图10A中所示的相同波形(具有感测脉冲1025和刺激脉冲1030)。所期望的输出波形1610包括对应于每一个感测和刺激脉冲1025、1030的脉冲。目标电压1615是对应于如前面所提到的0-3.3V/5V参考电压的电压。这与典型PWM信号的不同之处在于，其是纯模拟信号。
本领域技术人员将认识到，本公开内容的方法和系统可以通过许多方式来实施，因此并不受限于前面的示例性实施例和实例。换句话说，由单个或多个组件实施、在硬件和软件或固件的各种组合中实施的功能单元以及各项单独的功能，可以被分布在用户计算设备或服务器或全部二者处的软件应用之间。在这方面，这里所描述的不同实施例的许多特征可以被组合到单个或多个实施例中，并且具有少于或多于这里所描述的所有特征的替换实施例是可能的。功能还可以整体上或部分地分布在多个组件之间，其方式现在是已知的或者将会变成是已知的。因此，在实现这里所描述的功能、特征、接口和优选项方面，许多软件/硬件/固件组合是可能的。此外，本公开内容的范围涵盖了用于实施所描述的特征和功能和结构的传统上已知的方式，以及可以对这里所描述的硬件或软件或固件组件作出的那些变化和修改，正如本领域技术人员现在和后来将会理解的那样。
虽然前面通过一个或多个实施例描述了所述系统和方法，但是应当理解的是，本公开内容不需要被限制到所公开的实施例。其意图涵盖包括在权利要求书的精神和范围内的各种修改和类似安排，其范围应当符合最宽泛的解释，以便涵盖所有此类修改和类似结构。本公开内容包括所附权利要求书的任何和所有实施例。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
医疗器械，医疗器械包括：
无线发送器；
多个传感器电极，被配置和布置成耦合至患者的身体部位的组织，所述多个传感器电极包括激活电极和接收电极；和
控制电子装置，耦合在所述激活电极中的至少一个激活电极和所述接收电极中的至少一个接收电极之间，所述控制电子装置被配置为产生刺激电流流入患者的组织的至少一部分中以引起患者的肌肉群的至少一部分收缩；
控制单元，耦合到控制电子装置和无线发送器，该控制单元被配置和布置为电肌肉刺激(EMS)系统，该系统以闭环方式使用来自组织的反馈来自调整从激活电极中的至少一个激活电极到组织的输出的电特性以引起患者的肌肉群的一部分的期望的收缩，并且控制单元被配置为将数据从医疗器械无线传送到患者的计算设备和/或与医疗专业人员相关联的计算设备，
控制单元被配置和布置为(a)使用所述激活电极中的至少一个激活电极向组织施加感测电脉冲，(b)从组织中测量与组织中的感测电脉冲的功率耗散相关的至少一个电参数，(c)使用所述激活电极中的至少一个激活电极基于组织中的感测电脉冲的功率耗散而将刺激脉冲可调节地施加到组织，刺激脉冲由控制单元可调节地控制以基于感测电脉冲的功率耗散来向组织提供可变电压并维持到组织的刺激脉冲的恒定电流和恒定功率输出，并且(d)重复步骤(a)-(c)，
其中所述刺激脉冲和感测脉冲共享共同的接触点，并且感测脉冲具有比刺激脉冲更高的电压使得来自刺激阶段的任何残留电压都不影响感测阶段。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述医疗器械包括患者支撑件，患者支撑件包括护具、套筒、吊腕带、衣服、包裹以及束带中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被配置和布置为在患者移动时将感测电脉冲或刺激脉冲施加到组织上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被配置和布置为改变所述刺激脉冲的电流和/或电压以输送恒定功率。
5.如权利要求1所述的系统，还包括用于在其上有形地存储要由至少一个处理器执行的程序的非暂时性存储介质。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述刺激脉冲至少部分地由程序控制，当所述程序由至少一个处理器执行时每个刺激脉冲保持恒定的功率输出。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述医疗器械包括识别所述医疗器械的标识符。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述非暂时性存储介质包括存储在其中的作为标识符的至少一个代码；以及
其中，程序基于所述标识符。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，所述程序包括用于所述医疗器械的特定波形治疗协议。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，如果在施加所述感测电脉冲之后由所述控制单元测量或计算的功率消耗超过预设边界，则所述控制单元被配置和布置为在释放所述刺激脉冲之前结束其刺激序列。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，每个感测电脉冲由所述控制单元配置和布置以创建或维持穿过患者组织的导电通道。
12.如权利要求1所述的系统，还包括针对所述多个传感器电极的每个通道而存在的专用电压控制电源；以及
其中，所述专用电压控制电源被配置和布置为消除时间划分；以及
其中在相同的时域内两个或更多个不同电压的同时刺激脉冲是可能的。
13.根据权利要求1所述的系统，所述系统被配置和布置为使用光耦合的FET产生刺激脉冲；以及
其中使用光耦合FET产生刺激脉冲使该系统能够在敏感的医疗设备附近使用。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个传感器电极包括传感器对。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个接收电极被配置和布置成为来自所述至少一个激活电极的刺激脉冲的传输的电流提供返回路径。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被附接至所述医疗器械或能够从所述医疗器械移除。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述患者的计算设备和/或与医疗专业人员相关联的计算设备包括个人计算机、数字助理、移动电话或智能电话、平板或膝上型计算机中的至少一个。
18.一种控制单元，用于控制用于治疗患者的关节或身体部位的医疗器械，所述控制单元包括：
处理器；
非暂时性存储介质，用于在其上有形地存储程序逻辑以供处理器执行，该程序逻辑包括：
接收逻辑，当由处理器执行时，该接收逻辑从与患者组织接触以引起患者肌肉群的至少一部分收缩的多个传感器电极接收与组织内的脉冲的功率耗散有关的至少一个电参数，功率耗散源自电路，该电路包括控制单元的控制电子器件以及多个传感器电极中的至少一个激活电极和至少一个接收电极，该脉冲事先由电路输送；和
通信逻辑，当由处理器执行该通信逻辑时，该通信逻辑能够与电路进行通信以形成电肌肉刺激(EMS)系统，该系统以闭环方式使用来自组织的反馈来自调整从电路到组织的输出的电特性以引起患者的肌肉群的一部分的期望的收缩，并使控制单元能够(a)使用至少一个激活电极向组织施加感测脉冲，(b)测量与组织中的感测脉冲的功率耗散相关的至少一个电参数，(c)基于组织中的感测电脉冲的功率耗散而将刺激脉冲可调节地施加到组织，刺激脉冲由控制单元通过电路可调节地控制来向组织提供可变电压并维持到组织的刺激脉冲的恒定电流和恒定功率输出，并且(d)重复步骤(a)-(c)；以及
其中，控制单元耦合到无线发送器，并配置为将数据从医疗器械无线传输到患者的计算设备和/或与医疗专业人员相关联的计算设备，以及
其中所述刺激脉冲和感测脉冲共享共同的接触点，并且感测脉冲具有比刺激脉冲更高的电压使得来自刺激阶段的任何残留电压都不影响感测阶段。
19.根据权利要求18所述的控制单元，其中，所述通信逻辑包括护具通信逻辑，所述护具通信逻辑被配置为由所述处理器执行以与护具通信，所述护具被配置为向患者提供支撑并且包括套筒、吊腕带、衣服、包裹以及束带中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的控制单元，其中，所述接收逻辑包括标识符接收逻辑，所述标识符接收逻辑被配置为由所述处理器执行以从所述程序逻辑接收用于识别所述护具的标识符。
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