CN113304398B - 一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统及方法，电刺激系统包括BLE微控制器、电池、电源管理模块、智能刺激升压模块、双向刺激输出与恒流模块、采集模块、协同刺激与安全保护模块、电极阵列、加速度传感器等，可以智能搜寻并精确定位到神经肌肉运动位点。通过上位机程序或者手机APP与BLE微控制器进行通讯，设置电刺激参数，在电刺激前让电极阵列在待刺激肌肉表面进行扫描，从而识别到神经肌肉运动位点。识别完成后，电刺激系统将自动在神经肌肉运动位点上按照设置的参数实施电刺激。本发明有效解决了目前神经肌肉运动位点的识别依赖医护人员手动操作和经验的技术问题，能够缓解电刺激带来的不适感以及提高治疗效果。

Description

一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统及 方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其是涉及一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统及方法。
背景技术
神经肌肉电刺激(NMES，Neuromuscular Electrical Stimulation)是一项将低频脉冲电流施加在特定肌肉群，使其进行收缩，以恢复肌肉运动能力的技术，其在临床应用上的历史已经超过了100多年。但是，由于该技术自身内在所带来的一些限制，造成了其临床应用上使用范围受限的情况。例如神经肌肉电刺激在治疗过程中会产生较大的不适感，以及由于空间募集(Spatial Recruitment)有限，从而造成的诱发张力低以及易疲劳。
为了降低神经肌肉电刺激在治疗过程中所带来的不良影响，意大利都灵大学的学者，提出了在电刺激治疗前，找到待刺激肌肉的神经肌肉运动位点，即肌肉神经末梢集中的地方，也是兴奋性最高的部分，也就是最佳的刺激位点，然后再到神经肌肉运动位点上进行刺激。他采用运动点笔去寻找神经肌肉运动位点，即将运动点笔(相当于刺激电极，参考电极贴在待刺激肌肉的背面)不断在待刺激肌肉上移动，并缓慢增加其刺激强度，当某个点被刺激肌肉产生振动而其他点刺激时肌肉没有发生振动，则认为找到运动点。这种技术能够有效找到神经肌肉运动位点，但所需要耗费的时间较长，并且是用肉眼观察肌肉振动以及受试者的主观感受去判断该点是否为神经肌肉运动位点，这样就容易产生偏差。
现有技术公开了有很多电刺激相关的专利和文献，如公开号为CN108471990A的中国专利文献公开了一种电刺激装置，其具备：缠绕在用户的手臂上的构件；配置在构件的一面上的多个电极；以及配置在构件的一面上的多个光学式距离传感器。该电刺激装置通过大面积的电极覆盖目标肌肉的位置，从而达到对目标肌肉的刺激，但是其并没有精确寻找神经肌肉运动位点的过程。
公开号为CN210904050U的中国专利文献提出了一种可以快速寻找穴位的电极阵列电刺激装置，这里寻找的穴位类似神经肌肉运动位点，该装置可以将穴位电极头阵列放在待刺激肌肉上，并进行灵活的移动，从而能够较快的寻找到患者背部最佳的电刺激位置。但是该装置寻找神经肌肉运动位点的过程仍然需要手动完成，并且没有明确说明怎么样才算找到神经肌肉运动位点。
发明内容
本发明提供了一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，能够快速智能并精确地找到神经肌肉运动位点，然后再到它上面进行电刺激治疗，从而有效缓解电刺激治疗过程中，由于空间募集(Spatial Recruitment)有限造成的诱发张力低以及易疲劳的症状。
一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，包括低功耗蓝牙(BLE,Bluetooth Low Energy)微控制器、智能刺激升压模块、双向刺激输出与恒流模块、采集模块、协同刺激与安全保护模块、电极阵列以及加速度传感器；
所述的BLE微控制器用于根据电刺激参数给智能刺激升压模块发送指令，接收加速度传感器采集的肌肉振动信号后识别出神经肌肉运动位点，接收采集模块发送的刺激波强度，以及给协同刺激与安全保护模块发送控制信号；
所述的智能刺激升压模块接收BLE微控制器发送的指令，并产生高压输送给双向刺激输出与恒流模块；
所述的双向刺激输出与恒流模块接收到高压后产生双极性刺激波，分别发送给协同刺激与安全保护模块、采集模块；
所述的协同刺激与安全保护模块根据BLE微控制器的控制信号将双极性刺激波通过电极阵列在待刺激肌肉上进行扫描；或者，将双极性刺激波通过电极阵列对待刺激肌肉上的神经肌肉运动位点进行电刺激；
所述的采集模块用于实时接收双向刺激输出与恒流模块发送的双极性刺激波强度，并发送给BLE微控制器；
所述的加速度传感器用于实时采集肌肉振动信号并发送给BLE微控制器。
进一步地，所述的智能刺激升压模块与电源管理模块连接，通过电池给电源管理模块供电。
进一步地，所述的BLE微控制器与上位机或者手机通过连接，通过上位机程序或者手机APP给BLE微控制器设置电刺激参数。
进一步地，所述的BLE微控制器识别神经肌肉运动位点的方法为：
对电极阵列实施电刺激扫描，且刺激强度从零开始逐渐增加；加速度传感器记录下每个电极刺激时的肌肉振动信号传给BLE微控制器，完成一次扫描后，若加速度传感器检测不到肌肉振动或检测到的肌肉振动达不到一定的阈值，则增加刺激强度，开始新一轮的扫描；若某个电极刺激引起了肌肉振动，而其他电极没有引起振动，则这个电极的位置即为神经肌肉运动位点；若多个点位的刺激均引起了肌肉振动，则选择振动幅度最大的那个点位作为神经肌肉运动位点。
进一步地，所述的BLE微控制器根据电刺激参数，自动调整对智能刺激升压模块的发送指令，从而控制智能刺激升压模块输出电压值。
进一步地，所述双向刺激输出与恒流模块产生的双极性刺激波为矩形波、三角波、梯形波、正弦波或锯齿波。优选为双极性脉冲刺激波(矩形波)。
本发明还提供了一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激方法，使用上述快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，包括以下步骤：
(1)将阵列电极贴在待刺激的肌肉上，参考电极放在其背面，通过上位机程序或手机APP设置电刺激参数；
(2)BLE微控制器自动设置刺激强度在一个初始值，然后按照从第一个电极到最后一个电极的顺序进行刺激，加速度传感器会记录每个电极刺激是否有引起的肌肉振动并传递给BLE微控制器，直到找到神经肌肉运动位点；
(3)找到神经肌肉运动位点后，将按照上位机程序或者手机APP所设置的参数，BLE微控制器控制在神经肌肉运动位点上的电极开始进行刺激。
步骤(1)和步骤(3)中，所述电刺激参数的范围具体为：
电刺激强度范围为0－100mA，电刺激强度的步进为0.1mA；频率范围为2－500Hz，频率的步进为1Hz；脉宽为50－400μs，脉宽的步进为1μs。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用电极阵列扫描的方法，不再需要手动去移动电极，因此能够快速智能地找到神经肌肉运动位点。
2、通过加速度传感器去测量肌肉振动的信号去判断该点是否为神经肌肉运动位点，而不是根据肉眼观察肌肉振动以及受试者的主观感受去判断，从而保证了其位置的精确性。
3、微控制器能够根据设置的刺激强度，将自动调整智能刺激升压模块输出电压值的大小，使得系统的效率得以提高，同时也更加安全。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明作用于人体上的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，包括有BLE微控制器A、电源管理模块B、电池C、智能刺激升压模块D，双向刺激输出与恒流模块E、采集模块F、协同刺激与安全保护模块G、电极阵列H和加速度传感器I。
BLE微控制器A用于根据上位机程序或手机APP设置的电刺激参数给智能刺激升压模块D发送指令，接收加速度传感器I采集的肌肉振动信号后识别出神经肌肉运动位点，接收采集模块F发送的电压信号，以及给协同刺激与安全保护模块G发送控制信号。
智能刺激升压模块D接收BLE微控制器A发送的指令，智能地产生范围在20V到150V的高压，并输送给双向刺激输出与恒流模块E，恒流模块在典型负载1kΩ的情况下，输出电流范围0－100mA，步进典型值0.1mA；频率范围为2－500Hz，频率步进典型值为1Hz；脉宽为50－400μs，脉宽步进典型值为1μs。
双向刺激输出与恒流模块E接收到高压后产生双极性脉冲刺激波，分别发送给协同刺激与安全保护模块G和采集模块F。
协同刺激与安全保护模块G根据BLE微控制器A的控制信号将双极性脉冲刺激波通过电极阵列H在待刺激肌肉上进行扫描；或者，将双极性脉冲刺激波通过电极阵列H对待刺激肌肉上的神经肌肉运动位点进行电刺激。
采集模块F用于实时监督双向刺激输出与恒流模块E发送的双极性脉冲刺激波强度，具体是采集采样电阻上面的电压值(小于3.3V)并发送给BLE微控制器A。
加速度传感器I用于实时采集肌肉振动信号并发送给BLE微控制器A。
本实施例中，电池C典型地采用14V电池，为电源管理模块B与智能刺激升压模块D进行供电，电脑上位机程序或者手机APP与BLE微控制器A进行蓝牙通讯，设置电刺激参数，BLE微控制器A能够发送指令，将智能刺激升压模块D产生的高压通过双向刺激输出与恒流模块E后，产生双极性脉冲刺激波。
BLE微控制器A再控制协同刺激与安全保护模块G，将刺激波通过电极阵列H在待刺激肌肉上进行扫描，同时加速度传感器I会采集肌肉振动信号发送给BLE微控制器A，从而识别到神经肌肉运动位点。
识别完成后，电刺激系统将自动在神经肌肉运动位点上按照设置的电刺激参数进行刺激。采集模块F会采集作用在人体上的刺激强度，当发生异常时，BLE微控制器A控制协同刺激与安全保护模块G停止电刺激系统的异常工作。
识别体表神经肌肉运动位点并完成刺激的过程包括如下步骤：
S1:如图2所示，将阵列电极H贴在待刺激的肌肉表面上，参考电极放在其背面，通过上位机程序设置电刺激参数。
S2:BLE微控制器A将刺激强度从零开始逐渐增加，然后按照从第一个电极到最后一个电极的顺序进行扫描刺激。
加速度传感器记录下每个电极刺激时的肌肉振动信号传给BLE微控制器，完成一次扫描后，若加速度传感器检测不到肌肉振动或检测到的肌肉振动达不到一定的阈值，则增加刺激强度，开始新一轮的扫描；若某个电极刺激引起了肌肉振动，而其他电极没有引起振动，则这个电极的位置即为神经肌肉运动位点；若多个点位的刺激均引起了肌肉振动，则选择振动幅度最大的那个点位作为神经肌肉运动位点。
S3:找到神经肌肉运动位点后，将按照上位机上所设置的参数，在神经肌肉运动位点上的电极开始进行刺激。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，其特征在于，包括BLE微控制器、智能刺激升压模块、双向刺激输出与恒流模块、采集模块、协同刺激与安全保护模块、电极阵列以及加速度传感器；
所述的BLE微控制器用于根据电刺激参数给智能刺激升压模块发送指令，接收加速度传感器采集的肌肉振动信号后识别出神经肌肉运动位点，接收采集模块采集的刺激波强度，以及给协同刺激与安全保护模块发送控制信号；
所述的智能刺激升压模块接收BLE微控制器发送的指令，并产生高压输送给双向刺激输出与恒流模块；
所述的双向刺激输出与恒流模块接收到高压后产生双极性刺激波，分别发送给协同刺激与安全保护模块、采集模块；
所述的协同刺激与安全保护模块根据BLE微控制器的控制信号将双极性刺激波通过电极阵列在待刺激肌肉上进行扫描；或者，将双极性刺激波通过电极阵列对待刺激肌肉上的神经肌肉运动位点进行电刺激；
所述的采集模块用于实时接收双向刺激输出与恒流模块发送的双极性刺激波强度，并发送给BLE微控制器；
所述的加速度传感器用于实时采集肌肉振动信号并发送给BLE微控制器。
2.根据权利要求1所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，其特征在于，所述的智能刺激升压模块与电源管理模块连接，通过电池给电源管理模块供电。
3.根据权利要求1所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，其特征在于，所述的BLE微控制器与上位机或者手机通过BLE无线连接，通过上位机程序或者手机APP给BLE微控制器设置电刺激参数。
4.根据权利要求1所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，其特征在于，所述的BLE微控制器识别神经肌肉运动位点的方法为：
对电极阵列实施电刺激扫描，且刺激强度从零开始逐渐增加；加速度传感器记录下每个电极刺激时的肌肉振动信号传给BLE微控制器，完成一次扫描后，若加速度传感器检测不到肌肉振动或检测到的肌肉振动达不到一定的阈值，则增加刺激强度，开始新一轮的扫描；若某个电极刺激引起了肌肉振动，而其他电极没有引起振动，则这个电极的位置即为神经肌肉运动位点；若多个点位的刺激均引起了肌肉振动，则选择振动幅度最大的那个点位作为神经肌肉运动位点。
5.根据权利要求1所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，其特征在于，所述的BLE微控制器根据电刺激参数，自动调整对智能刺激升压模块的发送指令，从而控制智能刺激升压模块输出电压值。
6.根据权利要求1所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，其特征在于，所述双向刺激输出与恒流模块产生的双极性刺激波为矩形波、三角波、梯形波、正弦波或锯齿波。
7.一种快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激方法，其特征在于，使用权利要求1～6任一所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激系统，包括以下步骤：
(1)将阵列电极贴在待刺激的肌肉表面上，参考电极放在其背面，通过上位机程序或手机APP设置电刺激参数；
(2)BLE微控制器自动设置刺激强度在一个初始值，然后按照从第一个电极到最后一个电极的顺序进行刺激，加速度传感器会记录每个电极刺激是否有引起的肌肉振动并传递给BLE微控制器，直到找到神经肌肉运动位点；
(3)找到神经肌肉运动位点后，将按照上位机程序或者手机APP所设置的参数，BLE微控制器控制在神经肌肉运动位点上的电极开始进行刺激。
8.根据权利要求7所述的快速智能定位体表神经肌肉运动位点的电刺激方法，其特征在于，所述电刺激参数的范围具体为：
电刺激强度范围为0－100mA，电刺激强度的步进为0.1mA；频率范围为2－500Hz，频率的步进为1Hz；脉宽为50－400μs，脉宽的步进为1μs。
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