CN112237685B - 外周神经电刺激器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外周神经电刺激器，其包括：超声扫描刺激环以及信号发生及控制模块。超声扫描刺激环包括：至少一个超声扫描探头以及两组电极阵列。信号发生及控制模块包括：超声扫描控制模块，其配置为控制超声扫描探头对肢体的扫描并且根据扫描所得的超声影像信息来确定神经的位置信息；隔离恒流源发生模块，其用于产生具有频差的kHz正弦电流；总控制器模块，其配置为基于所述位置信息选择电刺激所需的电极并且确定刺激电流的电流比，以使刺激焦点位于神经区域；以及开关阵列选择模块，其选择电极以使得神经由导通的电极所产生的电场进行电刺激。该刺激器无需移动电极位置和其他手段，即可实现外周神经的定点选择性无损刺激。

Description

外周神经电刺激器
技术领域
本发明涉及一种外周神经电刺激器，更具体地说，涉及一种利用超声影像定位、用于外周神经的选择性无损电刺激的仪器。
背景技术
外周神经刺激具有重要的医学价值，比如用于运动康复和慢性神经痛治疗。其实现方法有许多种，最常用的是基于植入电极的外周神经刺激(Peripheral NerveStimulation,PNS)和经皮神经电刺激(Transcutaneous Electric Nerve Stimulation,TENS)，前者是一种有创的方法，可以实现精准定位，后者具有无创的优点，但缺乏空间选择性。
具有空间选择性的外周神经无创电刺激方法仍是一个有待解决的问题。最早的尝试是相干电流法(Interference Current,IFC)，在刺激目标周围皮肤上贴两对电极，通常交叉布置，每对电极流过一个等幅kHz正弦电流，两者有一个小的频差，由于干涉作用，在四个电极的中心区域将产生一个幅度作低频变化的kHz电场，而在电极附近电场将保持等幅，由于等幅kHz电场对组织的刺激阈值远远高于幅度低频变化的相干场，所以刺激将发生在电极中间区域而不是电极附近。但是IFC的刺激区域相当大，无法控制，而且仍然局限在比较浅表的组织。最近有人提出将两对刺激电极安置在头部两侧的皮肤上，像IFC那样分别通以具有频差的两路kHz电流，实现了对大脑深部神经组织的选择性刺激。不仅如此，通过改变电极位置和调整两刺激电流的强度比，可以实现刺激区域在电极平面上的二维位移。这个方法被称为时间相干(Temporally Interfering,TI)电刺激。但是，外周神经不同于脑细胞，外周神经是轴突的聚合，具有明显的方向性，与其平行的电场才具有有效的刺激作用。不仅如此，外周神经也没有脑组织那样明确的脑区定位，不能在无损条件下通过体表特征点推断其在肢体深部的空间坐标。实现对深部外周神经的选择性无损电刺激，首先必须通过一定的方法确定神经的空间坐标，然后以此为目标确定电极位置和选择刺激参数，而且刺激电极的方向还必须符合对外周神经刺激的电场方向性要求。
发明内容
本发明提供一种针对肢体外周深部神经的选择性无损电刺激器。在一个实施方案中，用于肢体外周深部神经的选择性无损电刺激器将若干(可以是一个、两个或两个以上)超声扫描探头刚性地嵌入一个电极阵列，二者的相对位置坐标为已知，共同组成一个超声扫描刺激环。刺激环套上待刺激的肢体后，刺激器内部的超声扫描控制器控制超声扫描探头对肢体横截面进行二维扇形扫描，刺激器内部的嵌入式电子计算机根据扫描所得的肢体截面的超声影像对待刺激的神经进行定位，得到其相对于刺激环的二维位置信息。总控制器根据此位置信息在刺激环电极阵列中选择时间相干(TI)电刺激方法所需要的两对电极，并根据此位置信息决定两路刺激电流的电流比。电极环中电极排布方向根据有利于神经电刺激的要求来决定。利用该具备超声扫描刺激环的电刺激器，不仅能实现对深部神经的无损选择性无损刺激，而且可以灵活移动刺激焦点，并在刺激焦点确定的条件下改变刺激强度。超声扫描刺激环可简称为扫描刺激环，或简称刺激环。该刺激器可满足运动康复和慢性神经痛等疾病治疗的需要。
根据本发明的一个方面，外周神经电刺激器包括超声扫描刺激环以及信号发生及控制模块。超声扫描刺激环包括：至少一个超声扫描探头，其配置为对肢体进行扫描以得到肢体截面的超声影像信息；以及两组电极阵列，每组电极阵列分别具有第一电极阵列和第二电极阵列，所述第一电极阵列和第二电极阵列分别呈半圆状环形排列，所述两组电极阵列组合为呈圆环形排列的电极阵列。信号发生及控制模块包括：超声扫描控制模块，其配置为控制超声扫描探头对肢体的扫描并且根据扫描所得的超声影像信息来确定神经的位置信息；隔离恒流源发生模块，其用于产生具有频差的kHz正弦电流；总控制器模块，其配置为基于所述位置信息从所述电极阵列中选择电刺激所需的电极并且确定刺激电流的电流比，以使刺激焦点位于神经区域；以及开关阵列选择模块，其受控于所述总控制器模块来选择电极以使得神经由导通的电极所产生的电场进行电刺激。
在一个示例性实施方案中，所述开关阵列选择模块经由所述总控制器模块控制以通过接通相应的开关来选择电刺激所需的电极。
在一个示例性实施方案中，所述两组电极阵列的每组电极阵列中的第一电极阵列和第二电极阵列沿轴向方向彼此间隔开；所述开关阵列选择模块包括：与第一组电极阵列的第一电极阵列连接的第一组开关阵列、与第一组电极阵列的第二电极阵列连接的第二组开关阵列、与第二组电极阵列的第一电极阵列连接的第三组开关阵列以及与第二组电极阵列的第二电极阵列连接的第四组开关阵列。
在一个示例性实施方案中，所述隔离恒流源发生模块包括第一隔离恒流源发生模块和第二隔离恒流源发生模块；所述第一组开关阵列和所述第二组开关阵列分别连接至所述第一隔离恒流源发生模块以产生电流I1，所述第三组开关阵列和所述第四组开关阵列分别连接至所述第二隔离恒流源发生模块以产生电流I2，并且所述总控制器模块控制电流I1和电流I2的比值。
在一个示例性实施方案中，所述第一隔离恒流源发生模块和所述第二隔离恒流源发生模块产生两路幅度及频率可调的kHz电流。
在一个示例性实施方案中，所述超声扫描探头包括第一超声扫描探头和第二超声扫描探头；所述第一超声扫描探头和所述第二超声扫描探头在超声扫描刺激环上相隔180°设置，并且所述第一超声扫描探头和所述第二超声扫描探头在轴向方向上设置在第一电极阵列和第二电极阵列之间。
在一个示例性实施方案中，所述开关阵列选择模块通过开关选择导通电极的数目来改变电极面积，从而控制刺激范围的大小。
在一个示例性实施方案中，所述第一组电极阵列的第一电极阵列和第二电极阵列以及所述第二组电极阵列的第一电极阵列和第二电极阵列分别布置于半圆状环形内壁凸台上，并且其中的每一个电极处于单独的凸台上。
在一个示例性实施方案中，所述超声扫描刺激环具有不同的规格套件，以适用于不同尺寸的肢体。
本发明解决其技术问题可以采用的一种技术方案是：根据刺激目标肢体的大小选择对应的刺激环规格，并将其套在肢体上。超声扫描控制器控制若干个超声探头对肢体进行扫描，并得到超声图像，超声扫描控制器根据该超声图像可得外周神经的位置信息，并将该位置信息传送至总控制器，由于电极阵列、超声探头及肢体三者间相对位置保持不变，通过坐标转换可将超声图像坐标系下的神经位置信息转换至电极阵列下的坐标系中，得到同一坐标系中电极阵列和神经间的坐标关系，从而选择和神经处于同一平面的刺激电极，并确定两路电流的比值I1/I2。设置两路隔离恒流源的频率及幅值，使得两路kHz正弦电流有一个小的频差，且幅值保持上述的电流比I1/I2。电流通过开关阵列流至对应的电极对，进入组织产生干涉，使得刺激焦点位于神经区域，实现组织内的三维定点刺激。固定刺激电极及刺激电流比，改变电流的和I1+I2，即可对外周神经进行不同强度的刺激。设置电流比确定刺激深度，最终达到刺激焦点在肢体上的三维移动的效果。调节焦点至神经位置，实现定点选择性无损刺激。
本发明的有益效果是，可以为运动康复和慢性神经痛等疾病的治疗提供一个电刺激器，该电刺激器通过超声影像信息确定刺激电极的位置及电流比，结合使用阵列开关及阵列电极，无需移动电极位置和其他手段，即可实现外周深部神经的选择性定点刺激。该刺激器不仅能实现对深部神经的定点选择性无损刺激，而且可以灵活移动刺激焦点，并在刺激焦点固定的条件下改变刺激强度。
附图说明
下面结合附图和示例性实施方案对本发明进一步说明，其中：
图1A、图1B和图1C是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的结构示意图；
图2是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的使用示意图；
图3A和图3B是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的刺激平面及刺激深度选择的示意图；
图4是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的开关阵列控制导通电极数目改变电极面积的示意图。
具体实施方式
现在将对本发明的各个实施方案详细地作出引用，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
图1A、图1B和图1C是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的结构示意图。
参照图1A，一种外周神经选择性无损电刺激器包括信号发生及控制模块101、超声扫描探头102以及电极环(左电极环103，右电极环104)，其中，超声扫描探头102和电极环(左电极环103，右电极环104)共同组成超声扫描刺激环(或者称为扫描刺激环或者刺激环)。
信号发生及控制模块101包括总控制器模块101a、超声扫描控制器模块101b、隔离恒流源发生模块(101c，101d)以及开关阵列选择模块(101e，101f)。
总控制器模块101a接收超声扫描控制器模块101b发送的神经位置信息，并根据该位置信息设置开关阵列及电流比，使得刺激焦点位于神经区域。
超声扫描控制器模块101b接收一个或多个超声扫描探头扫描的超声图像，根据超声图像信息分析神经位置信息，并将该神经位置信息传送到总控制器模块101a。
隔离恒流源发生模块(101c，101d)用于产生具有频差的kHz正弦电流。如图1A中所示，隔离恒流源发生模块(101c，101d)包括第一隔离恒流源发生模块101c和第二隔离恒流源发生模块101d，可以用于产生两路隔离的、幅度及频率可调的kHz电流I1和I2。
如图1A中所示，电极环(103，104)具有左电极环103和右电极环104，半圆环状左电极环103和半圆环状右电极环104组合为呈圆环形的电极环(103，104)。
如图1B中所示，左电极环103包括第一电极阵列103a和第二电极阵列103b，凸台位于第一电极阵列103a和第二电极阵列103b下方，第一电极阵列103a和第二电极阵列103b分别呈半圆状环形排列并组合为半圆环状左电极环103。右电极环104包括第一电极阵列104a和第二电极阵列104b，凸台位于第一电极阵列104a和第二电极阵列104b下方，第一电极阵列104a和第二电极阵列104b分别呈半圆状环形排列并组合为半圆环状右电极环104。
图1C中展示了电极环(103，104)的两组电极阵列，每组电极阵列分别具有设置为沿轴向方向间隔开的第一电极阵列(例如图1C中所示的103a、104a)和第二电极阵列(例如图1C中所示的103b、104b)。第一组电极阵列的第二电极阵列103b和第一电极阵列103a以及第二组电极阵列的第二电极阵列104b和第一电极阵列104a分别布置在半圆筒状的内壁上，并且其中的每一个电极处于单独的凸台上，以减少相邻电极因导电膏而短路的可能性。
超声扫描探头102可以对肢体进行超声扫描，并将图像信息传送至控制器中进行进一步的分析。如图1A中所示，超声扫描探头102包括在超声扫描刺激环上相隔180°设置的第一超声扫描探头和第二超声扫描探头。图1C中展示了第一超声扫描探头和第二超声扫描探头在轴向方向上设置在第一电极阵列和第二电极阵列之间。
开关阵列选择模块受控于控制器，通过闭合相应的开关，使得神经处于导通电极所在的平面上并由导通的电极所产生的电场进行电刺激。如图1A中所示，开关阵列选择模块(101e，101f)包括第一开关阵列选择模块101e和第二开关阵列选择模块101f。图1C中展示了第一开关阵列选择模块101e包括与第一组电极阵列的第一电极阵列103a连接的第一组开关阵列101e1和与第一组电极阵列的第二电极阵列103b连接的第二组开关阵列101e2，第二开关阵列选择模块101f包括与第二组电极阵列的第一电极阵列104a连接的第三组开关阵列101f3和与第二组电极阵列的第二电极阵列104b连接的第四组开关阵列101f4。开关阵列选择模块经由总控制器模块控制以通过接通相应的开关来选择电刺激所需的电极。第一组开关阵列101e1和第二组开关阵列101e2分别连接至第一隔离恒流源发生模块101c以产生电流I1，第三组开关阵列101f3和第四组开关阵列101f4分别连接至第二隔离恒流源发生模块101d以产生电流I2。总控制器模块101a控制电流I1和电流I2的比值。
图2是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的使用示意图。
如图2所示，外周神经选择性无损电刺激器固定在肢体206上，接触电极处的皮肤用酒精脱脂并用生理盐水湿润。电极上涂有导电膏205，超声探头上涂有超声耦合剂204，两者均与皮肤203良好接触。其中，骨头201位于若干个超声探头中间，通过超声扇形扫描区域207的图像信息可以得知外周神经202的位置。超声扫描刺激环具有不同的规格套件，以适用于不同尺寸的肢体。
图3A和图3B是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的刺激平面及刺激深度选择的示意图。
如图3A中所示，不同的电极组合可以进行不同的刺激平面的选择。理论上说，在一定精度上，本发明所述的阵列电极可以实现肢体上各个平面的刺激，即便由于外周神经处于易于形变的软组织中而没有固定位置，也可以选择对应的电极对使得神经位于刺激平面301上。
如图3A中所示，每对电极形成的电场会向远处扩散并逐渐减弱，两组电极之间会形成干涉电场。
举例来说，设上述的刺激平面301为x-y平面，其中电极连线方向为x轴方向，神经走向为y方向，如图3B所示建立空间直角坐标系。设两刺激电流I1＝k1sinωt和I2＝k2sin(ω+Δω)t，其频差Δf＝Δω/2π落于神经可被兴奋的低频范围内。设两电流所形成电场的y方向分量的幅度分别为E1y(x)和E2y(x)，则该方向总电场为：
是一个幅度的kHz电场。这个电场既是时间的函数，也是空间坐标x的函数。可见在x轴上任意一点，电场幅度都会以频率Δf振动，其包络调制幅度EMAy＝E1y(x)+E2y(x)-|E1y(x)-E2y(x)|＝2min(E1y(x)，E2y(x))，是两个电场幅度中较小者的2倍。由于容积导体中电流扩散的缘故，电场必随离电极距离的增加而减小，因此只要I1和I2相差不是太大，那么在x轴上总能找到一点xn，该点处Ely(xn)＝E2y(xn)，于是EMAy(xn)＝2E1y(xn)＝2E2y(xn)，形成一个峰值，其余点上EMAy均小于该值。xn的位置就和电流比I1/I2相关，不同的电流比将对应不同的xn。如图3B中所示的为不同电流比I1/I2下的x轴方向电场Ey的分布，同一刺激电流I1产生的电场E1y与不同刺激电流I2产生的电场E2y在不同的点xn上相交，即在点xn处即为不同电流比下EMAy的峰值位置，即刺激焦点。由此通过设置电流比可以达到刺激深度选择的效果。其中，图中xn3即焦点位于神经处。
图4是根据本发明示例性实施方案的外周神经选择性无损电刺激器的开关阵列控制导通电极数目改变电极面积的示意图。
如图4所示，以第二隔离恒流源发生模块101d、第二开关阵列选择模块101f和右电极环104(包括第一电极阵列104a和第二电极阵列104b)为例，当第二开关阵列选择模块101f选择导通右电极环104中的一对电极时，电流I2只经过一对电极，则电极面积为S1。当第二开关阵列选择模块101f选择导通右电极环104中的三对电极时，电流I2经过三对电极，则电极面积为三倍S1。开关阵列选择模块可以通过开关选择导通电极的数目来改变电极面积，从而控制刺激范围的大小。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其各种选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (9)

1.一种外周神经电刺激器，包括：
超声扫描刺激环，其包括：
至少一个超声扫描探头，其配置为对肢体进行扫描以得到肢体截面的超声影像信息；
两组电极阵列，每组电极阵列分别具有第一电极阵列和第二电极阵列，所述第一电极阵列和第二电极阵列分别呈半圆状环形排列，所述两组电极阵列组合为呈圆环形排列的电极阵列；以及信号发生及控制模块，其包括：
超声扫描控制模块，其配置为控制超声扫描探头对肢体的扫描并且根据扫描所得的超声影像信息来确定神经的位置信息；
隔离恒流源发生模块，其用于产生具有频差的kHz正弦电流；
总控制器模块，其配置为基于所述位置信息从所述电极阵列中选择电刺激所需的电极并且确定刺激电流的电流比，以使刺激焦点位于神经区域；
开关阵列选择模块，其受控于所述总控制器模块来选择电极以使得神经由导通的电极所产生的电场进行电刺激。
2.根据权利要求1所述的外周神经电刺激器，其中，所述开关阵列选择模块经由所述总控制器模块控制以通过接通相应的开关来选择电刺激所需的电极。
3.根据权利要求2所述的外周神经电刺激器，其中，
所述两组电极阵列的每组电极阵列中的第一电极阵列和第二电极阵列沿轴向方向彼此间隔开；
所述开关阵列选择模块包括：与第一组电极阵列的第一电极阵列连接的第一组开关阵列、与第一组电极阵列的第二电极阵列连接的第二组开关阵列、与第二组电极阵列的第一电极阵列连接的第三组开关阵列以及与第二组电极阵列的第二电极阵列连接的第四组开关阵列。
4.根据权利要求3所述的外周神经电刺激器，其中，
所述隔离恒流源发生模块包括第一隔离恒流源发生模块和第二隔离恒流源发生模块；
所述第一组开关阵列和所述第二组开关阵列分别连接至所述第一隔离恒流源发生模块以产生电流I1，所述第三组开关阵列和所述第四组开关阵列分别连接至所述第二隔离恒流源发生模块以产生电流I2，并且所述总控制器模块控制电流I1和电流I2的比值。
5.根据权利要求4所述的外周神经电刺激器，其中，所述第一隔离恒流源发生模块和所述第二隔离恒流源发生模块产生两路幅度及频率可调的kHz电流。
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的外周神经电刺激器，其中，所述超声扫描探头包括第一超声扫描探头和第二超声扫描探头，所述第一超声扫描探头和所述第二超声扫描探头在超声扫描刺激环上相隔180°设置，并且所述第一超声扫描探头和所述第二超声扫描探头在轴向方向上设置在第一电极阵列和第二电极阵列之间。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的外周神经电刺激器，其中，所述开关阵列选择模块通过开关选择导通电极的数目来改变电极面积，从而控制刺激范围的大小。
8.根据权利要求3-5中任意一项所述的外周神经电刺激器，其中，所述第一组电极阵列的第一电极阵列和第二电极阵列以及所述第二组电极阵列的第一电极阵列和第二电极阵列分别布置于半圆状环形内壁凸台上，并且其中的每一个电极处于单独的凸台上。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的外周神经电刺激器，其中，所述超声扫描刺激环具有不同的规格套件，以适用于不同尺寸的肢体。
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