CN111298304B

CN111298304B - 一种可变光强的膈神经光刺激系统

Info

Publication number: CN111298304B
Application number: CN202010201855.6A
Authority: CN
Inventors: 石岩; 常佳琪; 蔡茂林; 许未晴; 王一轩; 任帅; 王娜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Shandong Jihe Technology Development Co ltd
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2040-03-20
Also published as: CN111298304A

Abstract

本发明公开了一种可变光强的膈神经光刺激系统，包括肌电采集装置、控制器、激光器、光纤和通光装置；肌电采集装置用于获取膈肌收缩信号，并将膈肌收缩信号传递给控制器；控制器用于接收肌电采集装置传输的膈肌收缩信号，并且根据膈肌收缩信号向激光器发出发射特定强度红外脉冲激光的指令；激光器用于根据控制器发出的指令发射特定强度红外脉冲激光；光纤连接于激光器与通光装置之间；通光装置内设置有光路反射镜面，用于改变红外脉冲激光光路。使用本发明系统可通过红外脉冲激光直接照射神经组织，引起组织中瞬时能量积累，以此建立温度梯度，使组织中产生光热，从而诱发神经活动，提高了使用的安全性和精准性。

Description

一种可变光强的膈神经光刺激系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的说是涉及一种可变光强的膈神经光刺激系统。

背景技术

脊髓损伤是一种严重的疾病，会导致呼吸肌不同程度的受累瘫痪而无法维持正常的呼吸功能。无法自主呼吸的患者，需要进行呼吸功能重建。

在传统呼吸功能重建的通气模式中，需要通过压力或流量触发呼吸机送气，只有当气道内压力或流速改变达到呼吸机的触发水平，呼吸机才能够感知，准备送气。但脊髓损伤患者中枢神经驱动不足或呼吸肌瘫痪，吸气早期引起的压力或流速改变不足以触发呼吸机，患者存在呼吸冲动，但无呼吸触发和辅助呼吸，便出现人机不同步的情况。

采用膈肌起搏器是另一种呼吸功能重建方式，通过电脉冲刺激膈神经，从而引发膈肌的收缩，来模拟人体生理模式的呼吸运动。膈神经电刺激可以代替呼吸机给予患者长期不间断的呼吸支持。

然而，电刺激所用电极需要直接接触目标神经组织，易对脆弱的生物组织造成接触式机械损伤；其次，刺激电流产生的影响会在组织中扩散至相邻的一部分区域，无法精准地刺激较小范围内的神经组织乃至单一神经元；另外，因为神经组织受到刺激后产生的响应以电信号的形式呈现，所以电刺激过程中在检测神经动作电位时就会受到同样作为电信号的刺激源的影响，从而产生所谓的“伪迹”。

因此，需要提供一种新的呼吸功能重建系统，以解决安全性和精准性的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种可变光强的膈神经光刺激系统，可通过红外脉冲激光直接照射神经组织，引起组织中瞬时能量积累，以此建立温度梯度，使组织中产生光热，从而诱发神经活动，提高使用的安全性和精准性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，包括肌电采集装置、控制器、激光器、光纤和通光装置；

肌电采集装置用于获取膈肌收缩信号，并将膈肌收缩信号传递给控制器；

控制器用于接收肌电采集装置传输的膈肌收缩信号，并且根据膈肌收缩信号向激光器发出发射特定强度红外脉冲激光的指令；

激光器用于根据控制器发出的指令发射特定强度红外脉冲激光；

光纤连接于激光器与通光装置之间；

通光装置内设置有光路反射镜面，用于改变红外脉冲激光光路。

本发明以光纤耦合红外脉冲激光对神经组织进行刺激，解决了电刺激法中接触式电极可能带来的机械损伤问题，在进行光刺激时把控一个既能激发足够强度的神经响应而又不至于对神经组织造成热损伤的安全能量密度阈值即可。同时，红外脉冲激光束刺激的空间精确性好，可以刺激单一神经元而不产生范围影响；另外，本发明以红外脉冲激光刺激神经组织，以肌电采集装置采集膈肌收缩信号，刺激(光信号)和响应(电信号)的性质不同，不会对神经电位的检测产生“伪迹”。

优选地，通光装置包括通光件；

通光件一端开设有光纤安装孔，另一端开设有红外脉冲激光射出孔，光纤安装孔与红外脉冲激光射出孔之间设置有光路反射区；光路反射区内壁设置有第一光路反射镜面，并且光路反射区内对应红外脉冲激光射出孔的位置设置有第二光路反射镜面；光纤中的红外脉冲激光经第一光路反射镜面反射至第二光路反射镜面上，由红外脉冲激光射出孔垂直射出。

通光件用于改变光路，将光纤中的光以固定的角度直射到神经纤维上，进而在较小范围内刺激神经组织甚至单一神经元，使得刺激更为精准。

优选地，光路反射区内壁由光纤安装孔端部延径向扩张设置一段距离后径向收缩，第一光路反射镜面设置于光路反射区内壁的径向收缩段，使红外脉冲激光由安装于光纤安装孔内的光纤射出后射至第一光路反射镜面上。

光纤中的光通过反射传输，红外脉冲激光由光纤中射出的角度确定，第一光路反射镜面、第二光路反射镜面角度的设置需配合光纤中红外脉冲激光射出的角度，使得红外脉冲激光由红外脉冲激光射出孔垂直射出。因此，使用时需选择与光纤光反射角度对应的通光件。

优选地，第二光路反射镜面通过一支撑件固定于光路反射区内壁的径向扩张段上，支撑件朝向光纤安装孔的一端呈锥状，并且锥状顶端位于光纤安装孔与光路反射区交接截面上。

光路反射区由光纤安装孔端部延径向扩张设置一段距离、支撑件朝向光纤安装孔的一端呈锥状，均可避免阻挡光纤射出红外脉冲激光的光路，进而提高红外脉冲激光的利用率。锥状顶端位于光纤安装孔与光路反射区交接截面上，对于光纤起到定位作用。

进一步优选地，第一光路反射镜面、第二光路反射镜面分别为涂覆于光路反射区内壁或支撑件上的镜面涂层；或者为固定于光路反射区内壁或支撑件上的镜面部件。

优选地，第一光路反射镜面呈环状，第二光路反射镜面呈圆锥状。

优选地，红外脉冲激光射出孔外部设置有针状头，针状头内开设有红外脉冲激光通路孔。

针状头的设置保证刺激更为精准。

优选地，针状头配有保护套，可防止使用前针状头损坏或污染。

优选地，通光装置还包括安装板，安装板上开设有一个或多个安装孔，通光件安装于安装孔内。

安装板的设置便于固定通光件。

进一步地，本发明使用时可将通光装置封装在一个载体内，露出针状头红外脉冲激光通路孔，以便于安装。

优选地，通光件采用不透光材料制成，光纤安装孔与光纤过盈配合。

经由上述的技术方案可知，本发明系统设置肌电采集装置，用于采集膈肌收缩信号，并将其传送至控制器；控制器可根据膈肌收缩信号将发射红外脉冲激光以及红外脉冲激光强度的指令传递给激光器；激光器发射的特定强度红外脉冲激光经光纤传播至通光装置，在通光装置中改变光路，使光直射刺激膈神经；膈神经收到光刺激，产生光热效应，通过神经传导使膈肌收缩，肌电采集装置检测到收缩程度，以电信号的形式传递给控制器，控制器根据收缩程度进行一定计算，更改发送给激光器的指令，使各神经的刺激程度发生变化，进而完成膈肌收缩程度的调节。

通过上述系统进行呼吸功能重建时，光刺激不需与膈神经直接接触，不会造成接触式机械损伤，并且光刺激的空间精确性好，便于精细控制。

附图说明

图1所示为本发明一种可变光强的膈神经光刺激系统示意图；

图2所示为本发明通光装置结构示意图；

图3所示为本发明通光装置侧视图；

图4所示为本发明光纤与通光件组合结构示意图；

图5所示为本发明光路传送示意图；(图4、5中虚线仅用于说明通光件内光路传送情况)

图6所示为本发明针状头保护套结构示意图；

图7所示为本发明安装板结构示意图；

附图标记：1.肌电采集装置；2.控制器；3.激光器；4.光纤；5.通光装置；51.通光件；511.光纤安装孔；512.红外脉冲激光射出孔；513.光路反射区；514.第一光路反射镜面；515.支撑件；516.第二光路反射镜面；517.针状头；52.安装板；521.安装孔。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种可变光强的膈神经光刺激系统，包括肌电采集装置1、控制器2、激光器3、光纤4和通光装置5；

肌电采集装置1包括1个或多个肌肉电模拟信号传感器(无锡市思知瑞科技有限公司，3.1-5.9V)，电池供电，供电电压3.3V；肌电采集装置1用于获取膈肌收缩信号，并将膈肌收缩信号传递给控制器2。

控制器2由中控芯片及其电路接口组成；中控芯片采用恩智浦公司的MK60DN512VL10芯片，电池供电，供电电压3.3V；电路接口包括控制激光器发射激光的I/O接口、数模转换接口以及采集膈肌收缩信号的模数转换接口。

中控芯片通过采集膈肌收缩信号的模数转换接口连接肌电采集装置1，接收肌电采集装置1传输的膈肌收缩信号；并且根据膈肌收缩信号通过控制激光器发射激光的I/O接口和数模转换接口向激光器3发出发射特定强度红外脉冲激光的指令。

激光器3用于根据控制器2发出的指令发射特定强度红外脉冲激光；采用上海屹持光电有限公司光纤耦合半导体激光模块，型号EW-02，电池供电，供电电压9V；可调节波长范围为375-2200nm，输出功率最大500mV，体积较小，满足装置的需求。

光纤4采用德国Fiberware公司的微细结构光纤，操作波长范围400-2400nm，芯直径50μm，芯材质为纯熔融石英芯；光纤4连接于激光器3与通光装置4之间。

如图2-7所示，通光装置5包括通光件51和安装板52。

通光件51采用不透明橡胶制成，一端开设有光纤安装孔511，另一端开设有红外脉冲激光射出孔512，光纤安装孔511与红外脉冲激光射出孔512之间设置有光路反射区513。

光路反射区513内壁由光纤安装孔511一端延径向扩张倾斜设置一段距离后径向收缩倾斜设置。

光路反射区513内壁的径向收缩段涂覆有镜面涂层，形成环状的第一光路反射镜面514。

光路反射区513内正对红外脉冲激光射出孔512的位置上设置有一支撑件515，支撑件515朝向光纤安装孔511和红外脉冲激光射出孔512的两端分别为圆锥状，并且支撑件515侧边通过一支杆固定在光路反射区513内壁的径向扩张段上。支撑件515朝向红外脉冲激光射出孔512的圆锥面涂覆有镜面涂层，形成圆锥状的第二光路反射镜面516。

支撑件515朝向光纤安装孔511的锥状顶端位于光纤安装孔511与光路反射区513交接截面上，使光纤4插入光纤安装孔511内时止于光纤安装孔511与光路反射区513交接截面上。光纤4与光纤安装孔511过盈配合。

红外脉冲激光由光纤4射出后经第一光路反射镜面514反射到第二光路反射镜面516上，并由第二光路反射镜面516反射，从红外脉冲激光射出孔512垂直射出。

进一步地，通光件51上位于红外脉冲激光射出孔的外部设置有针状头517，针状头517内开设有红外脉冲激光通路孔，红外脉冲激光通路孔与红外脉冲激光射出孔512对齐，红外脉冲激光由红外脉冲激光射出孔512射出后的光路延红外脉冲激光通路孔垂直射出。红外脉冲激光通路孔径可根据实际需要进行调整。针状头517配有保护套，可防止使用前针状头损坏或污染。

安装板52上开设有10个安装孔521，每个安装孔521内固定一个通光件51。

优选地，本发明使用时，肌肉电模拟信号传感器贴附于膈肌上；控制器2和激光器3封装在一个盒体(医用材料制)内，置于人体内胸壁前部、下胸腔或上腹壁上方的皮下袋中；导线和光纤4分别封装在软管内；通光装置5封装在一个薄片状载体(9mm*5.5mm*0.25mm，医用材料制)内，露出针状头红外脉冲激光通路孔，通光装置5贴附在甲状腺软骨上，红外脉冲激光通路孔朝向膈神经的神经束但不与膈神经的神经束接触。

肌电采集装置1采集膈肌收缩信号，并将其传送至控制器2；控制器2可根据膈肌收缩信号将发射红外脉冲激光以及红外脉冲激光强度的指令传递给激光器3；激光器3发射的特定强度红外脉冲激光(如1.875μm)经光纤4传播至通光装置5，在通光装置5中改变光路，使光直射刺激膈神经。

膈神经接收到光刺激后产生一系列影响：1.温度变化并激活热敏离子通道TRPV1，触发神经响应；2.光子被神经组织吸收引起局部温度升高，进而触发了TRPV4离子通道，使钙离子流入细胞内，并引起细胞膜去极化，上述过程还能够触发钠离子通道并产生离子动作电位，引起神经冲动；3.红外脉冲激光作用于神经组织时神经轴突集中光照能量，所引起的轴突温升约为3.8-6.4℃，该温度梯度可直接或者间接的诱发细胞跨膜离子通道的激活并触发神经动作电位。

通过上述神经传导作用引起膈肌收缩，肌电采集装置1检测到收缩程度，以电信号的形式传递给控制器2，控制器2根据收缩程度进行一定计算，更改发送给激光器3的指令，使各神经的刺激程度发生变化，进而完成膈肌收缩程度的调节。

进一步地，本发明主要保护肌电采集装置、控制器、激光器、光纤和通光装置构成的闭环系统，至于控制器如何进行数据处理和调节，可参考现有方法(如模糊控制法)根据实际情况进行调整。

例如：膈肌收缩信号包括肌电信号的周期频率和最大幅值，在控制器中存储频率和幅值的正常值；使用肌电采集装置定时进行膈肌收缩信号采集，控制器将采集值与正常值进行比较，比较情况分为3种：

1)频率或幅值的采集值与正常值相差小于正常值的10％，刺激光强为较弱光强，如100mW；

2)频率或幅值的采集值与正常值相差为正常值的10％-30％，刺激光强需提高，如200mW；

3)频率或幅值的采集值与正常值相差超出正常值的30％，刺激光强需进一步提高，如300mW；

控制器根据比较结果将红外脉冲激光强度的指令发送给激光器，光刺激的同时继续进行膈肌收缩信号采集，以针对该光刺激调整后的膈肌收缩信号确定是否需要下一步调整。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，包括肌电采集装置、控制器、激光器、光纤和通光装置；

所述肌电采集装置用于获取膈肌收缩信号，并将膈肌收缩信号传递给所述控制器；

所述控制器用于接收所述肌电采集装置传输的膈肌收缩信号，并且根据膈肌收缩信号向所述激光器发出发射特定强度红外脉冲激光的指令；

所述激光器用于根据所述控制器发出的指令发射特定强度红外脉冲激光；

所述光纤连接于所述激光器与所述通光装置之间；

所述通光装置内设置有光路反射镜面，用于改变红外脉冲激光光路；

所述通光装置包括通光件；

所述通光件一端开设有光纤安装孔，另一端开设有红外脉冲激光射出孔，所述光纤安装孔与所述红外脉冲激光射出孔之间设置有光路反射区；所述光路反射区内壁设置有第一光路反射镜面，并且所述光路反射区内对应所述红外脉冲激光射出孔的位置设置有第二光路反射镜面；所述光纤中的红外脉冲激光经所述第一光路反射镜面反射至所述第二光路反射镜面上，由所述红外脉冲激光射出孔垂直射出。

2.根据权利要求1所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，

所述光路反射区内壁由所述光纤安装孔端部延径向扩张设置一段距离后径向收缩，所述第一光路反射镜面设置于所述光路反射区内壁的径向收缩段，使所述红外脉冲激光由安装于所述光纤安装孔内的光纤射出后射至所述第一光路反射镜面上。

3.根据权利要求2所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，

所述第二光路反射镜面通过一支撑件固定于所述光路反射区内壁的径向扩张段上，所述支撑件朝向所述光纤安装孔的一端呈锥状，并且锥状顶端位于所述光纤安装孔与所述光路反射区交接截面上。

4.根据权利要求3所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，所述第一光路反射镜面呈环状，所述第二光路反射镜面呈圆锥状。

5.根据权利要求1所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，所述红外脉冲激光射出孔外部设置有针状头，所述针状头内开设有红外脉冲激光通路孔。

6.根据权利要求5所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，所述针状头配有保护套。

7.根据权利要求1所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，所述通光装置还包括安装板，所述安装板上开设有一个或多个安装孔，所述通光件安装于所述安装孔内。

8.根据权利要求1所述的一种可变光强的膈神经光刺激系统，其特征在于，所述通光件采用不透光材料制成，所述光纤安装孔与所述光纤过盈配合。