CN113907761B - 用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件及其应用方法。所述肌电电极组件及其使用方法包括电极导管、用于刺激与记录位点的电极丝、用于与肌电记录系统连接的电极接口及用于辅助电极组件定位的固定夹具：所述电极导管包括电极丝和保护套管，保护套管依附于电极丝外侧，所述电极接口位于电极组件首端，所述固定夹具位于电极组件末端，使电极在体内的位置相对稳定。所述的植入式肌电电极是一个整体构件，结构简单，易于植入皮下肌肉组织，对动物创伤较小，且生产成本低，有望降低对灵长类动物电极植入的采集难度，并提高肌电信号采集的精度。
Description
技术领域
本发明属于实验动物学测试和动物实验装置技术领域，具体涉及一种用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件。
背景技术
脑机接口领域研究的重点之一是从行为动物的神经元活动中准确解码运动相关信息，如位置、力、速度和加速度等，并以此转化为用于控制假肢、轮椅和机械臂等外部设备的控制指令。为了探索神经的编码机理并提高脑机接口系统控制准确率，在基于非人灵长类动物的多模态神经解码时，需要采集非人灵长类动物的神经信号、眼动信号、肌电信号等多模态电生理信号。然而动物对常规的表面肌电或肌电针采集配合度不高，肌电电极有脱落或移位的风险，一方面限制了动物的活动范围，可能对动物的行为产生影响；另一方面，动物也可能对线缆产生拉扯甚至导致电极断裂而影响信号采集。而植入式肌电电极能植入并固定在皮下组织，采集深部组织运动单元的肌电信号，可显著提高采集肌电信号的质量，因此慢性植入式肌电电极对分析神经活动与肌肉活动之间的机制具有重大意义。近年来，功能电刺激可通过手术植入肌电电极对目标肌肉或者神经进行预定模式的刺激，可改善甚至恢复患者的运动能力。国内对于植入式肌电电极的研究较少，主要集中于肌电针、微针式电极、Cuff电极等肌电采集器件的开发，多用于临床使用，少有用于动物的慢性植入式电极；国外已有一些应用于动物的植入式肌电电极，但技术封锁、价格高昂，且在使用中存在电极移位、脱落等。
综上，大多数的肌电信号研究使用的是表面肌电信号，不能记录特定的肌肉的肌电信号，并且存在诸如运动伪迹、皮肤阻抗变化和电极移位等信号稳定性方面的挑战。而对于植入式肌电电极则以针电极为主，不仅操作过程复杂，需要专业的研究人员进行定位与操作，且在运动状态下会对实验动物带来一定的损伤。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件，可用于对植入位置刺激与记录，能够满足灵长类动物在运动状态时的肌电信息采集与刺激，精准的测量肌肉内某一具体肌肉的肌电信号。
一种用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件，所述肌电电极组件包括一电极导管010、一用于刺激与记录的电极位点020、一用于与肌电记录系统连接的电极接口040及一用于辅助电极组件定位的固定夹具030。
所述电极导管010由电极丝011和保护套管012组成；所述电极丝011外部附有绝缘涂层，且位于所述保护套管内012并贯穿整个保护套管012；所述的保护套管012依附于电极丝011外侧，所述电极接口位于电极组件首端，其外侧附有生物相容性改善和抗菌处理的氟化乙烯丙烯共聚物或其他聚合物图层。
所述电极位点020为电极丝011置于保护套管012外部分，不设有绝缘涂层。
所述电极位点020的末端留有一段电极丝，作为固定接口021，以便于与固定夹具030连接。
所述固定夹具030为长方形零件，尾部加工有圆孔，在电极植入相应的肌肉后电极丝可穿过圆孔，将固定夹具与肌腱相连，通过固定夹具030将电极固定在组织内部，保证电极在体内的位置相对稳定。
所述电极接口040为肌电采集系统的连接接口，与不同的肌电采集系统进行连接时，根据需求焊接电极丝011于相应的连接位点041，同时电极接口040的形式也可根据植入体内的电极位点041数量进行调整。
当电极组件附有多条电极套管时，设置电极束套050，对电极丝011进行固定，防止电极丝011之间相互位移。
本发明的有益效果：本发明可用于灵长类动物的长期慢性肌电信息记录及刺激，可长期稳定的采集运动状态下的灵长类动物肌电信号，或对指定肌肉进行刺激，完成相应的动作指令，避免了表面肌电电极以及传统针电极在记录过程中可能产生的位置偏移。只需简单手术即可完成对实验动物的长期肌电信号记录。相对于现有技术，本发明提供的双极植入式肌电电极组件具有以下有益效果：只需进行一次电极植入手术即可完成对非人灵长类动物的长时间慢性记录，后续只需定期对伤口进行消毒无需专业外科医生陪同即可完成后续的肌电信息的准确采集；对于实验动物而言，整体电极植入过程中的手术创口较小，术后恢复时间短，并无强烈的异物感，对实验动物的影响较小；对于实验人员而言，降低了实验过程中数据采集的工作难度，只需将实验动物固定后即可通过大脑后部的电极接口同时进行神经信号、肌电信号等多种生理信息的采集，大大降低了脑电和肌电信号同步采集的难度，也简化了多模态神经信号采集的流程，缩短了信号采集时间。通过该电极有望降低对灵长类动物肌电信息的采集难度，提高肌电信号采集的精度，以此更深层次的了解神经活动与肌肉活动之间的相关机制，并提高脑机接口技术的控制精度与能力。
附图说明
图1为肌电电极组件与固定夹具结构示意图；
图2为肌电电极组件结构示意图；
图3为固定夹具结构示意图；
图4为电极横截面；
图5为植入示例；
图中，010-电极导管，020-电极位点，030-固定夹具，040-电极接口，011-电极丝，012-保护套管，021-固定接口，041-连接位点，050-电极束套。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
一种用于刺激与记录的植入式肌电电极包括一电极导管010、一用于刺激与记录的电极位点020、一用于与肌电记录系统连接的电极接口040及一用于辅助电极定位的固定夹具030。
如图1-2所示，所述电极导管010由电极丝011与保护套管012组成，电极丝材料为316不锈钢或铂铱合金等，直径为0.3mm，电极丝外部附有绝缘涂层；保护套管012材料为氟化乙烯丙烯共聚物，一根保护套管内放置两根电极丝011，电极丝011置于保护套管012内进行封装，防止组织内液体流入，电极丝011一端去除绝缘涂层以记录肌电信号，另一端焊接于连接位点041，通过电极接口040与肌电采集系统进行通信。
所述电极位点020为电极丝011置于保护套管外部分，电极位点020处的电极丝011绝缘涂层被去除，不锈钢电极线被加工为长度为4mm，直径为1.5mm的螺旋结构，用于增加与组织的接触面积。电极位点的末端留有一段电极丝，作为固定接口021，以便于与固定夹具030连接。
如图3所示，所述固定夹具030为长方形钛合金零件，其宽度为0.8mm，厚度为0.5mm，尾部加工有圆孔，在电极植入相应的肌肉后电极丝011可穿过圆孔，将固定夹具030与肌腱相连，通过固定夹具030将电极固定在组织内部，保证电极在体内的位置相对稳定。
所述电极接口040为肌电采集系统的连接接口，与不同的肌电采集系统进行连接时，根据需求焊接电极丝011于相应的连接位点041，同时电极接口的形式也可根据植入体内的电极位点数量进行调整。
如图4所示，电极束套050是于电极组件附有多条电极套管时，防止电极丝011之间相互位移而对电极丝进行固定的装置。根据电极组件的长度，一般每20cm设置一电极束套已保证肌电电极在体内位置的相对固定。
上述用于刺激与记录的植入式肌电电极使用方法(图5)，按照如下步骤进行：
(1)术前测量猕猴的身体尺寸，包括臂长、颈长、肩宽和头围等参数。并根据测量参数规划电极套管010的长度，对电极植入的相关部位进行脱毛处理；
(2)对猕猴进行麻醉，在猕猴大脑后侧与锁骨处打开两处切口；
(3)使用皮下隧道装置将无菌导管置于猕猴皮下，连通猕猴大脑后侧与锁骨；
(4)使用皮下隧道牵引装置将电极从头部经由导管引出至锁骨处；用手术缝合线对电极进行固定，在此处植入肌电电极的参考电极；
(5)使用皮下隧道牵引装置将电极从锁骨经由导管引出至所需采集肌电信号的肌肉位置，在植入肌肉位置打开切口，同步骤(2)连通锁骨与植入位置；
(6)剥离记录位点外部组织，将电极位点020埋入，两个电极位点相距10mm左右，并位于同一肌束上，以保证既可以通过对两个电极位点所采集到的肌电数据做差值来得到相对准确的肌电信号，又不会因为两个电极位点相距太远或太近导致两个电极位点记录到的肌电信号差值过小。将末端的电极丝套入固定夹具030中，将固定夹具030固定于记录位点附近的肌腱上，并通过电极施加的低强度电刺激唤起关节和肌肉运动来确认每个肌电植入物的位置；
(6)在确认植入位置无误后，对手术创口进行缝合，停止麻醉并对猕猴进行术后观察；
(7)待手术伤口恢复后，即可对猕猴进行肌电信号的采集。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件，其特征在于，所述肌电电极组件包括一电极导管（010）、一用于刺激与记录的电极位点（020）、一用于与肌电记录系统连接的电极接口（040）及一用于辅助电极组件定位的固定夹具（030）；
所述电极导管（010）由电极丝（011）和保护套管（012）组成；所述电极丝（011）外部附有绝缘涂层，且位于所述保护套管内（012）并贯穿整个保护套管（012）；所述的保护套管（012）依附于电极丝（011）外侧，所述电极接口位于电极组件首端，其外侧附有生物相容性改善和抗菌处理的氟化乙烯丙烯共聚物涂层；
所述电极位点（020）为电极丝（011）置于保护套管（012）外部分，不设有绝缘涂层；
所述电极位点（020）的末端留有一段呈螺旋结构的电极丝，作为固定接口（021），以便于与固定夹具（030）连接；
所述固定夹具（030）为长方形零件，尾部加工有圆孔，在电极植入相应的肌肉后电极丝可穿过圆孔，将固定夹具与肌腱相连，通过固定夹具（030）将电极固定在组织内部，保证电极在体内的位置相对稳定。
2.根据权利要求1所述用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件，其特征在于，所述电极接口（040）为肌电采集系统的连接接口，与不同的肌电采集系统进行连接时，根据需求焊接电极丝（011）于相应的连接位点（041），同时电极接口（040）的形式也可根据植入体内的连接位点（041）数量进行调整。
3.根据权利要求1所述用于刺激与记录的双极植入式肌电电极组件，其特征在于，当电极组件附有多条电极套管时，设置电极束套（050），对电极丝（011）进行固定，防止电极丝（011）之间相互位移。
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