CN115137980B - 与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法，与胃肠电同步的经皮神经电刺激方法，包括步骤S1：安装于人体的第一部位的采集电极贴对人体的慢波进行采集并且将获得的采集数据传输到设备主机的放大器单元，以使得放大器单元对采集数据进行第一处理后生成第一数据。本发明公开的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法，其通过无创对周围神经和/或针灸穴位进行电刺激，并且电刺激与胃或小肠的内在起搏活动同步，这种同步的非侵入性神经刺激在增强胃或小肠运动方面比现有的不同步的神经电刺激更有效。

Description

与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法
技术领域
本发明属于胃肠电刺激技术领域，具体涉及一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激方法和一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备。
背景技术
功能性胃肠道疾病与胃肠动力障碍有关，如胃轻瘫、功能性消化不良、小肠假性梗阻、小肠细菌过度生长等。胃肠动力由称为慢波的内在电起搏活动控制。慢波在人体胃中的频率为每分钟3次(cpm)，在人体小肠中的频率为9-12cpm。胃和小肠慢波异常与功能性消化不良、胃轻瘫和小肠运动疾病有关。
胃和小肠起搏是治疗胃和小肠运动障碍的有效方法，类似于心脏起搏治疗心律失常。目前，胃肠起搏是通过长期植入的电极和可植入的脉冲发生器将电流直接输送到胃或小肠的平滑肌来完成的。这种方法是侵入性的，因为需要外科手术来放置刺激电极和脉冲发生器。
另一种改善胃肠动力的方法是通过电刺激周围神经或针灸穴位。刺激可以通过体表电极或针灸针传递。这些现有方法的主要问题是电刺激与胃或小肠的内在起搏活动无关联，其治疗效果有限。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法，其通过无创对周围神经和/或针灸穴位进行电刺激，并且电刺激与胃或小肠的内在起搏活动(慢波)同步，这种同步的非侵入性神经刺激在增强胃或小肠运动方面比现有的不同步的神经电刺激更有效。
本发明的另一目的在于提供与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法，其为胃电图(EGG)或肠电图(EIG)的非侵入性方案。使用算法从胃电图或肠电图中在线检测每个慢波的峰值；将通过放置在周围神经或针灸穴位的电极或针灸针在检测到每个慢波峰时发出一个脉冲或一系列脉冲的电刺激。
为达到以上目的，本发明提供一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激方法，用于输出与胃肠起搏同步的电刺激，包括以下步骤：
步骤S1：安装(贴)于人体的第一部位(优选为腹部胃的位置)的采集电极贴对人体的慢波进行采集并且将获得的采集数据传输到设备主机的放大器单元，以使得放大器单元对采集数据进行第一处理后生成第一数据；
步骤S2：设备主机的胃肠慢波分析单元对接收(包括有线和无线)的第一数据进行分析，以实时判断在接收的第一数据中是否出现慢波的峰值，如果出现则执行步骤S3，否则继续对(后续)接收的第一数据进行分析；
步骤S3：在检测到当前慢波出现峰值时，胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，以使得与数字经皮神经电刺激器连接的输出电极贴在人体的第二部位(优选为足三里穴位)输出与慢波峰值同步的治疗脉冲或者脉冲串。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：放大器单元的前置放大器对采集电极贴传输的采集数据进行前置放大处理，从而获得前置放大数据；
步骤S1.2：放大器单元的带通滤波器对前置放大器传输的前置放大数据进行滤波处理，从而获得滤波数据；
步骤S1.3：放大器单元的信号放大器对带通滤波器传输的滤波数据进行放大处理，从而获得放大数据；
步骤S1.4：放大器单元的模数转换器(ADC)对信号放大器传输的放大数据进行转换处理，从而获得第一数据。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：胃肠慢波分析单元的数字带通滤波器对放大器单元传输的第一数据进行数字滤波处理，并且胃肠慢波分析单元对经过数字滤波处理的数据进行实时波峰检测，如果判断到慢波波峰或者错过波峰，则执行步骤S3，否则继续对后续经过数字滤波处理的数据进行实时波峰检测；
步骤S2.1.1：离线峰值检测单元通过非实时分析历史信号数据(例如，在实时检测前先进行采样，从而获得一段波形图，每个人的波形图不同，因此，通过离线峰值检测单元可以获得适合当前治疗者的精确的λ，优选为可变尺度峰值检测算法)，从而获得离线波峰数据，公式为：
x(t)＝max(x(k),k＞t-λ/2 and k＜t+λ/2)；
其中，λ为波峰的范围或者尺度，并且离线峰值检测单元将获得的λ提供到在线峰值检测单元；
步骤S2.1.2：在线峰值检测单元通过以下公式进行实时峰值判断，公式为：
x(t)＝max(x(k),k＞t-λ/2 and k＜t+β)；
其中，β为可接受的同步刺激延迟(由于“在线峰值检测单元”对峰值做出的判定其延迟为β，而胃肠慢波分析单元侦测到波峰信号将立即触发神经电刺激，β<<λ保证了刺激输出与胃肠电慢波的同步性)；
步骤S2.1.3：根据人体胃肠的慢波信号的正常范围周期定义一个检测(侦测)窗口，正常范围周期为[Tmin,Tmax]，并且若当前慢波的波峰所处时刻为tp，则下一个波峰出现的窗口为[tp+Tmin,tp+Tmax]；
步骤S2.1.4：在线峰值检测单元判断x(t)是否进入检测窗口，如果是则执行步骤S2.1.5，否则继续进行判断；
步骤S2.1.5：在线峰值检测单元判断x(t)是否超出检测窗口，其中：
如果超出则判定为错过峰值，并且在检测窗口的最后t＝tp+Tmax时胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，以使得与数字经皮神经电刺激器连接的输出电极贴在人体的第二部位输出脉冲，进而重建电节律；
如果没有超出则判断是否满足波峰的条件，如果满足则判断出现慢波波峰并且胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，如果不满足则继续进行判断；
步骤S2.1.6：当胃肠慢波分析单元判断当前的第一数据为慢波异常(包括慢波的峰值紊乱或者连续丢失时)时，则输出预设指令到数字经皮神经电刺激器，以使得数字经皮神经电刺激器以预设的慢波频率进行电刺激。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，采集电极贴通过第一传输线缆与放大器单元有线连接并且数字经皮神经电刺激器通过第二传输线缆与输出电极贴有线连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，采集电极贴、放大器单元和胃肠慢波分析单元集成安装于第一部位并且胃肠慢波分析单元通过蓝牙无线收发器传输输出指令，输出电极贴和数字经皮神经电刺激器集成安装于第二部位并且数字经皮神经电刺激器通过蓝牙无线收发器接收输出指令。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，安装于第一部位的放大器单元(总增益GOA＝2000)将采集到的胃肠电信号分别经过前置放大器、带通滤波电路(通带fP＝0.016Hz-5Hz)、信号放大器(二级放大)、模数转换器(采样率fs＝20Hz)形成数字信号的第一数据交由后端的胃肠慢波分析单元分析。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，安装于第二部位的数字经皮神经电刺激器包括单片机、DC-DC升压电路和脉冲发生电路，脉冲发生电路包括H-桥电路、压控电流源和数模转换器(DAC器件)，并由单片机管理产生频率范围在1Hz-150Hz，脉冲宽度介于50μs-1000μs之间的单向或双向的脉冲或脉冲串。
为达到以上目的，本发明还提供一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，应用于所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激方法。
本发明的有益效果在于：
1、与直接侵入性胃或小肠电刺激相比，本发明是完全无创的。
2、与现有的经皮神经电刺激相比，本发明中的每个电刺激都与胃或小肠的内在起搏活动同步。因此，本发明在治疗胃和小肠运动障碍方面更有效。
附图说明
图1是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的与胃或小肠起搏活动同步的经皮神经电刺激图。
图2A是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的安装示意图(有线连接)。
图2B是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的结构示意图(有线连接)。
图3A是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的安装示意图(无线连接)。
图3B是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的结构示意图(无线连接)。
图4是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的总体分析流程图。
图5是本发明的与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备及其方法的实时波峰检测分析流程图。
附图标记包括：1、第一部位；2、采集电极贴；3、第一传输线缆；4、设备主机；41、放大器单元；42、胃肠慢波分析单元；43、数字经皮神经电刺激器；5、输出电极贴；6、第二传输线缆；11、慢波；12、波峰；13、与慢波波峰同步发出的电刺激脉冲。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的胃肠等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激方法，用于输出与胃肠起搏同步的电刺激，包括以下步骤：
步骤S1：安装(贴)于人体的第一部位1(优选为腹部胃的位置)的采集电极贴2对人体的慢波进行采集并且将获得的采集数据传输到设备主机的放大器单元41，以使得放大器单元41(用于胃肠电的采集和信号处理)对采集数据进行第一处理后生成第一数据；
步骤S2：设备主机4的胃肠慢波分析单元42(用于对采集到的胃肠电信号进行在线处理，并实时检测慢波11的波峰12的出现)对接收(包括有线和无线)的第一数据进行分析，以实时判断在接收的第一数据中是否出现慢波11的峰值，如果出现则执行步骤S3，否则继续对(后续)接收的第一数据进行分析；
步骤S3：在检测到当前慢波出现峰值时，胃肠慢波分析单元42将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器43(负责产生治疗脉冲，通过贴于治疗部位(周围神经或穴位)的理疗电极或针灸针传递电脉冲刺激)，以使得与数字经皮神经电刺激器43连接的输出电极贴5在人体的第二部位(优选为足三里穴位)输出与慢波峰值同步的治疗脉冲或者脉冲串(与慢波波峰同步发出的电刺激脉冲13)。
具体的是，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：放大器单元的前置放大器对采集电极贴传输的采集数据进行前置放大处理，从而获得前置放大数据；
步骤S1.2：放大器单元的带通滤波器对前置放大器传输的前置放大数据进行滤波处理，从而获得滤波数据；
步骤S1.3：放大器单元的信号放大器对带通滤波器传输的滤波数据进行放大处理，从而获得放大数据；
步骤S1.4：放大器单元的模数转换器(ADC)对信号放大器传输的放大数据进行转换处理，从而获得第一数据。
优选地，放大器单元采样率fs＝20Hz，增益G＝2000，滤波器级联设定截止频率fc＝5Hz。
更具体的是，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：胃肠慢波分析单元的数字带通滤波器对放大器单元传输的第一数据进行数字滤波处理，并且胃肠慢波分析单元对经过数字滤波处理的数据进行实时波峰检测，如果判断到慢波波峰或者错过波峰，则执行步骤S3，否则继续对后续经过数字滤波处理的数据进行实时波峰检测；
步骤S2.1.1：离线峰值检测单元通过非实时分析历史信号数据(例如，在实时检测前先进行采样，从而获得一段波形图，每个人的波形图不同，因此，通过离线峰值检测单元可以获得适合当前治疗者的精确的λ，优选为可变尺度峰值检测算法)，从而获得离线波峰数据，公式为：
x(t)＝max(x(k),k＞t-λ/2 and k＜t+λ/2)；
其中，λ为波峰的范围或者尺度，并且离线峰值检测单元将获得的λ提供到在线峰值检测单元；
步骤S2.1.2：在线峰值检测单元通过以下公式进行实时峰值判断，公式为：
x(t)＝max(x(k),k＞t-λ/2 and k＜t+β)；
其中，β为可接受的同步刺激延迟(由于“在线峰值检测单元”对峰值做出的判定其延迟为β，而胃肠慢波分析单元侦测到波峰信号将立即触发神经电刺激，β<<λ保证了刺激输出与胃肠电慢波的同步性)；
步骤S2.1.3：根据人体胃肠的慢波信号的正常范围周期定义一个检测(侦测)窗口，正常范围周期为[Tmin,Tmax]，并且若当前慢波的波峰所处时刻为tp，则下一个波峰出现的窗口为[tp+Tmin,tp+Tmax]；
步骤S2.1.4：在线峰值检测单元判断x(t)是否进入检测窗口，如果是则执行步骤S2.1.5，否则继续进行判断；
步骤S2.1.5：在线峰值检测单元判断x(t)是否超出检测窗口，其中：
如果超出则判定为错过峰值，并且在检测窗口的最后t＝tp+Tmax时胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，以使得与数字经皮神经电刺激器连接的输出电极贴在人体的第二部位输出脉冲，进而重建电节律；
如果没有超出则判断是否满足波峰的条件，如果满足则判断出现慢波波峰并且胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，如果不满足则继续进行判断；
步骤S2.1.6：当胃肠慢波分析单元判断当前的第一数据为慢波异常(包括慢波的峰值紊乱或者连续丢失时)时，则输出预设指令到数字经皮神经电刺激器，以使得数字经皮神经电刺激器以预设的慢波频率进行电刺激。
进一步的是，采集电极贴5通过第一传输线缆3与放大器单元41有线连接并且数字经皮神经电刺激器43通过第二传输线缆6与输出电极贴5有线连接。
更进一步的是，采集电极贴、放大器单元和胃肠慢波分析单元集成安装于第一部位并且胃肠慢波分析单元通过蓝牙无线收发器传输输出指令，输出电极贴和数字经皮神经电刺激器集成安装于第二部位并且数字经皮神经电刺激器通过蓝牙无线收发器接收输出指令。
优选地，安装于第一部位的放大器单元(总增益GOA＝2000)将采集到的胃肠电信号分别经过前置放大器、带通滤波电路(通带fP＝0.016Hz-5Hz)、信号放大器(二级放大)、模数转换器(采样率fs＝20Hz)形成数字信号的第一数据交由后端的胃肠慢波分析单元分析。
优选地，安装于第二部位的数字经皮神经电刺激器包括单片机、DC-DC升压电路和脉冲发生电路，脉冲发生电路包括H-桥电路、压控电流源和数模转换器(DAC器件)，并由单片机管理产生频率范围在1Hz-150Hz，脉冲宽度介于50μs-1000μs之间的单向或双向的脉冲或脉冲串。
本发明还公开了一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，应用于所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激方法。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的胃肠等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，用于输出与胃肠起搏同步的电刺激，其特征在于，包括采集电极贴、输出电极贴和设备主机，其中：
安装于人体的第一部位的采集电极贴对人体的慢波进行采集并且将获得的采集数据传输到设备主机的放大器单元，以使得放大器单元对采集数据进行第一处理后生成第一数据；
设备主机的胃肠慢波分析单元对接收的第一数据进行分析，以实时判断在接收的第一数据中是否出现慢波的峰值，如果出现则将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，否则继续对接收的第一数据进行分析；
对于第一数据的分析：
胃肠慢波分析单元的数字带通滤波器对放大器单元传输的第一数据进行数字滤波处理，并且胃肠慢波分析单元对经过数字滤波处理的数据进行实时波峰检测，如果判断到慢波波峰或者错过波峰，则将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，否则继续对后续经过数字滤波处理的数据进行实时波峰检测；
离线峰值检测单元通过非实时分析历史信号数据，从而获得离线波峰数据，公式为：
x(t)＝max(x(k),k＞t-λ/2and k＜t+λ/2)；
其中，λ为波峰的范围或者尺度，并且离线峰值检测单元将获得的λ提供到在线峰值检测单元；
在线峰值检测单元通过以下公式进行实时峰值判断，公式为：
x(t)＝max(x(k),k＞t-λ/2and k＜t+β)；
其中，β为可接受的同步刺激延迟；
根据人体胃肠的慢波信号的正常范围周期定义一个检测窗口，正常范围周期为[Tmin,Tmax]，并且若当前慢波的波峰所处时刻为tp，则下一个波峰出现的窗口为[tp+Tmin,tp+Tmax]；
在线峰值检测单元判断x(t)是否进入检测窗口，如果是则判断是否超出检测窗口，否则继续进行判断是否进入检测窗口；
在线峰值检测单元判断x(t)是否超出检测窗口，其中：
如果超出则判定为错过峰值，并且在检测窗口的最后t＝tp+Tmax时胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，以使得与数字经皮神经电刺激器连接的输出电极贴在人体的第二部位输出脉冲，进而重建电节律；
如果没有超出则判断是否满足波峰的条件，如果满足则判断出现慢波波峰并且胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，如果不满足则继续进行判断；
当胃肠慢波分析单元判断当前的第一数据为慢波异常时，则输出预设指令到数字经皮神经电刺激器，以使得数字经皮神经电刺激器以预设的慢波频率进行电刺激；
在检测到当前慢波出现峰值时，胃肠慢波分析单元将输出指令传输到数字经皮神经电刺激器，以使得与数字经皮神经电刺激器连接的输出电极贴在人体的第二部位输出与慢波峰值同步的治疗脉冲或者脉冲串。
2.根据权利要求1所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，其特征在于，对于第一数据的生成：
放大器单元的前置放大器对采集电极贴传输的采集数据进行前置放大处理，从而获得前置放大数据；
放大器单元的带通滤波器对前置放大器传输的前置放大数据进行滤波处理，从而获得滤波数据；
放大器单元的信号放大器对带通滤波器传输的滤波数据进行放大处理，从而获得放大数据；
放大器单元的模数转换器对信号放大器传输的放大数据进行转换处理，从而获得第一数据。
3.根据权利要求2所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，其特征在于，采集电极贴通过第一传输线缆与放大器单元有线连接并且数字经皮神经电刺激器通过第二传输线缆与输出电极贴有线连接。
4.根据权利要求3所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，其特征在于，采集电极贴、放大器单元和胃肠慢波分析单元集成安装于第一部位并且胃肠慢波分析单元通过蓝牙无线收发器传输输出指令，输出电极贴和数字经皮神经电刺激器集成安装于第二部位并且数字经皮神经电刺激器通过蓝牙无线收发器接收输出指令。
5.根据权利要求4所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，其特征在于，安装于第一部位的放大器单元将采集到的胃肠电信号分别经过前置放大器、带通滤波电路、信号放大器、模数转换器形成数字信号的第一数据交由后端的胃肠慢波分析单元分析。
6.根据权利要求5所述的一种与胃肠电同步的经皮神经电刺激设备，其特征在于，安装于第二部位的数字经皮神经电刺激器包括单片机、DC-DC升压电路和脉冲发生电路，脉冲发生电路包括H-桥电路、压控电流源和数模转换器，并由单片机管理产生频率范围在1Hz-150Hz，脉冲宽度介于50μs-1000μs之间的单向或双向的脉冲或脉冲串。
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