CN115253074A - 外周躯体运动神经刺激器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对外周躯体运动神经的电刺激器，应用于外周躯体运动神经，包括，至少包括一个刺激单元、一个肌电采集单元、一个控制单元，所述三个单元以及目标神经、目标肌肉组成闭环系统。其中，刺激单元用于受控对目标神经实施干涉电场刺激，采集单元用于采集目标神经的支配肌肉生物电信号，控制单元连接干涉电场刺激单元和肌电采集单元，用于控制刺激信号输出、接收反馈输入。本发明还公开了一种针对外周躯体运动神经的电刺激方法，所述针对外周躯体运动神经的电刺激器，以基于选择不同的参数组合、输出信号扫描刺激支配骨骼肌的运动神经，同时采集并存储目标神经的受控肌肉在每种参数组合信号刺激下的肌电数据，将各种组合与肌电反馈数据配对比较，用算法自动发现并选择最佳刺激方案。
Description
技术领域
本发明属于神经电刺激技术领域，具体地，涉及一种利用肌电检测闭环控制自动发现最优方案的外周躯体运动神经刺激仪器及方法。
背景技术
神经系统的电刺激是基础生物医学研究的有力工具，也是生物电子医学的核心。周围神经刺激(PNS)是目前生物电子医学临床应用最广泛的领域之一。周围神经刺激（PNS）既定靶点的例子有骶部、坐骨神经和迷走神经周围神经等，采用技术有植入式刺激、经皮神经电刺激(TENS)、时间干涉电场神经刺激（TINS）等几种。
早期，植入式刺激被用于治疗由某些疾病引起的异常神经元放电模式，然而由于需要手术植入、术后的伤口护理和植入硬件损坏等风险和不适，不需要内置硬件的非侵入式的经皮电刺激(transcutaneous electrical nerve stimulation TENS)技术出现，它们用弱电流无痛、非侵入性地调节人体神经活动，TENS技术已在许多临床研究中报告，市场上也有商用系统，但由于可安全舒适地应用于皮肤的电流大小存在限制，TENS仅适用于浅层目标，由于这些限制以及神经精确靶向的困难，限制了TENS 的广泛应用；2017 年，《细胞》杂志报道了一种时间干涉电刺激（temporal interference nerve stimulation TINS）技术，该技术使用多个高频交流电来募集神经放电（ Grossman 等），与普通的无创电刺激相比，时间干涉电刺激可以直接到达大脑深部。时间干涉电刺激的位置精度由电极位置和电流幅值比共同决定。 有研究描述了移动时间干涉电刺激目标位置的方法，并提出了调整电刺激目标位置的有用规则——电极间距越宽，刺激目标深度越深( Grossman 等人，2017年)，TINS打开了精确无创刺激的可能性，其深度和效率是经皮技术电刺激(TENS)无法实现的。然而，这些为数不多的研究，主要围绕脑部刺激展开。
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，需要确定神经的空间位置，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。为解决此问题，中国专利CN112237685A公开了一种集成超声扫描头与电极阵列应用于肢体外周深部神经的选择性无损电刺激器，该发明采用了超声扫描定位目标神经、算法选择开关阵列及控制电流比聚焦于刺激点的技术方案，以达到选择性准确刺激肢体外周深部神经的目的。
发明内容
与此前的技术相比，CN112237685A公开的技术方案可大大提高外周神经干涉电场的刺激精度。然而，由于该方案采用的是“定位–计算确定方案 -选择电极 – 设定电流比 –实施刺激”开环控制方式，其系统中未设置反馈控制，所以存在这种可能性：无法确保在需要的位置用干涉电场形成具有精确频率特性的调制包络波。原因在于：其一，干涉电刺激（temporal interference nerve stimulation TINS）的刺激效应是基于多路电场的包络调制，如果其中一路或多路电场阻抗过大/过小，可能会导致该路电场在指定位置的场强与计算值相比偏小/偏大，进而可能导致包络失真/包络过小或位置偏移的情况；其二，个体差异客观存在，而不同个体之间即使是相同位置的组织结构存在一定范围内差异，譬如皮下脂肪层厚度、结缔组织厚度、肌肉截面大小等，且各种组织的生物阻抗也不尽相同，个体间组织结构差异导致生物阻抗个体差异；因此，当差异累积到一定程度时，即便用超声波准确地确定神经位置，也不能保证依模型计算的参数在需要的位置用干涉电场形成具有精确频率特性的调制包络波。
有鉴于此，本发明公开了一种针对外周躯体运动神经的电刺激器，主要应用于支配骨骼肌的外周躯体运动神经，技术方案包括，至少包括一个刺激单元、一个肌电采集单元、一个控制单元，所述三个单元以及目标神经、目标肌肉组成闭环系统。其中，刺激单元用于受控对目标神经实施干涉电场刺激，设置于需要刺激的目标神经的入肌点以前，采集单元用于采集目标神经的支配肌肉生物电信号，设置于目标肌肉上，控制单元连接干涉电场刺激单元和肌电采集单元，用于控制刺激信号输出、接收反馈输入。
本发明还公开了一种针对外周躯体运动神经的电刺激方法，其特征在于，所述针对外周躯体运动神经的电刺激器，以基于选择不同的参数组合、输出信号扫描刺激支配骨骼肌的运动神经，同时采集并存储目标神经的受控肌肉在每种参数组合信号刺激下的肌电数据，将各种组合与肌电反馈数据配对比较，用算法自动发现并选择最佳刺激方案。
本发明的有益效果是，该外周躯体运动神经刺激器采用闭环控制方式，以穷举参数组合调整干涉电场形成位置、大小、频率、强度，达到自动发现、选择最优刺激方案的目的，简单快速实现外周深部神经的选择性定点刺激，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
图1 一种外周躯体运动神经刺激器系统框图；
图2 外周躯体运动神经刺激器实施例结构示意图；
图3 一种外周躯体运动神经刺激方法流程图；
图4 刺激电极阵列结构及应用示意图；
图5 电极及电极对设置方式示意图；
图6 干涉电场原理图；
图7 干涉电场分布示意图。
具体实施方式
现在将对本发明的各个实施方案详细地做出引用，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。
外躯体运动神经的功能是支配骨骼肌，大脑皮层发出的信号经由躯体运动神经在神经肌肉接头处对肌肉进行神经支配。这种神经支配会导致肌肉中钙离子的释放，最终在肌肉张力中产生机械性变化，由于此过程涉及去极化（电化学梯度的变化），可以通过肌肉动作电位（下称肌电）来检测。与肌肉收缩量以及收缩肌的数量呈线性相关，换句话说，肌肉收缩越强烈，激活的肌肉中运动单位的数量越多，记录的电压振幅就越高。
Grossman 等研究发现在一定范围相干电流（interfering Current，IFC）的刺激强度和电场幅度无关，而正比于电场幅度改变量，即包络调制幅度(Envelope ModulationAmplitude，EMA),他们提出将两对电极安放在刺激区域两侧皮肤上，两组kHz且存在一定频率差的电流在组织中相向扩散从而在深部建立起一个干涉电场，干涉场的EMA 在空间形成一个峰值，此处即为刺激最强的区域，其位置随两电流比的大小改变。这样，刺激范围可缩小到EMA 峰值附近一个较小域并通过控制电流比改变其空间位置。该改进方法被称为时间干涉(temporal interference，TI) 法，研究人员利用该方法实现了对小鼠海马神经元的选择性无损刺激。
基于以上原理，本发明实例提出了一种针对外周躯体运动神经的电刺激器，主要应用于支配骨骼肌的外周躯体运动神经，系统框图如图1一种外周躯体运动神经刺激器系统框图所示，包括，至少包括一个刺激单元、一个肌电采集单元、一个控制单元，所述三个单元与目标神经、目标肌肉组成闭环系统。其中，刺激单元用于受控对目标神经实施干涉电场刺激，采集单元用于采集目标神经的支配肌肉生物电信号，控制单元连接干涉电场刺激单元和肌电采集单元。
如图2外周躯体运动神经刺激器实施例结构示意图所示的结构和设置方式，一种针对外周躯体运动神经的电刺激器，包括：
所述干涉电场刺激单元，包括，恒流源、开关阵列、刺激电极阵列等；用于受控发生选择性输出刺激信号；
进一步，所述开关阵列，连接恒流源的输出端与刺激电极阵列；
进一步，所述开关阵列受控于控制单元，寻址选择控制恒流源的哪一路输出信号送到哪一个刺激电极；
进一步，所述开关阵列，可通过选择不同位置的电极进行配对、选择不同位置的电极对进行组合输出，实现物理上移动电极位置的效果；
所述肌电采集单元，包括，采集电极、多级放大、滤波、信号转换等电路，用于采集肌电输出到控制单元；
所述控制单元，用于存储数据、控制恒流源的信号参数、接收肌电反馈、控制干涉电场刺激单元输出；
进一步，所述控制单元，可控制恒流源的输入参数，至少包括，基准频率f、差频Δf、总电流 、电流比等；
进一步，所述控制单元，可控制开关阵列选择电极组合；
进一步，所述刺激电极阵列设置于目标神经附近体表；
进一步，所述采集电极设置于目标肌肉上。
基于本发明实例提出了一种针对外周躯体运动神经的电刺激器，,其实施流程如图3 一种外周躯体运动神经刺激方法流程图所示包括：
301 将刺激电极阵列布置到目标神经附近的体表
虽然不同个体的神经在体内的准确坐标并不固定，但一般走向、大致位置是确定的，因此可以根据一般解剖学位置选择目标神经离体表较的位置设置电极阵列；
进一步，预备成对使用的电极方向应与神经平行，如图4刺激电极阵列结构及应用示意图中，与同一水平位置与Y轴平行的三个电极如a1-b1-c1即可在其中选择两个组成一对。
302、将采集电极布置于目标神经所支配肌肉上
进一步，标准的双电极法规定，两个电极的放置位置为目标肌肉的肌腹正中，电极间距2cm。
303 依预设参数或程序自动控制实施一次刺激
进一步，预设或程序控制的参数至少包括，基准频率f、差频Δf、电极选择、总电流、电流比；
其中，基准频率取值范围为：1k≤f≤10KHZ；
其中，差频取值范围为: 0<Δf<100HZ；
其中，电极选择指的是，在电极阵列中选择至少两组、每组两个电极，同组两个电极的中心连线方向与目标神经平行，譬如在图4刺激电极阵列结构及应用示意图中，选择b2-c2、b3-c3 两组；
进一步，所述两组电极的中心连线，可以是两条平线如图5A、B，也可以是一条直线，即两组共四个电极可设置在一条直线上，如图5C、D所示；
进一步，两组电极连接开关陈列，用以输出频率分别为f、f+Δf的两路刺激信号；
进一步，如需要每路刺激信号可用多组电极同步输出，譬如如图4 刺激电极阵列结构及应用示意图中，可用a1-c1、a2-c2同步输出f频率信号，同时a3-c3、a4-c4同步输出f+Δf频率信号；
其中，总电流，是指两路或多路刺激信号的电流和；
其中，电流比是指总电流一定条件下，两路刺激信号的电流之比；
电流输出后，每组电极都会在组织内各自形成电场并向组织深部扩散，电场强度随距离增大而衰减，在两个电场重叠区域会出现干涉电场，干涉电场的大小方向为两个电场在此处的矢量和，为如图6所示，E1和E2分别代表第一和第二电极对产生的场，在E1、E2 两个电场重叠的区域会形成干涉电场，该干涉电场的强度以Δf的频率变化，n是代表沿所研究方向的单位向量，r代表位置。
干涉电场的出现的位置、强度由所述参数组合决定，如图7所示，左上为电场示意图，右上为电场仿真图，左下右下为图中标示两处的干涉电场波形示意图。
304 检测、存储目标神经支配肌肉的肌电
检测、存储刺激的肌电反馈，关联肌电与参数组的对应关系，供系统调用。
305 改变参数组合中至少一项，再次输出刺激
进一步，各项参数的影响包括：
基准频率f的提高将降低组织的阻抗，导致电流相同情况下f、f+Δf频率的电场扩散距离更远，进而导致干涉电场深度更深；
差频Δf的改变，直接影响干涉电场的变化频率；
在电极阵列中改变电极选择，相当于物理上改变电极对内两个电极之间距离以及电极对之间的距离，而电极间距越宽，刺激目标深度越深；
总电流加大可导致各路电场在组织中扩散距离更远，进而导致干涉电场在更深层的组织处形成并扩大范围；
电流比的调整会可实现干涉电场在电极对之间的二维位移；
进一步，通过改变参数组合可改变干涉电场在组织中的形成位置、方向、强度、频率；
进一步，穷举参数组合的刺激，可发现可能的最佳方案。
306 检测、存储目标神经支配肌肉的肌电
检测、存储刺激的肌电反馈，关联肌电与参数组的对应关系，以备系统调用。
307 判断是否退出扫描
依预设逻辑控制流程进程，决定继续扫描过程或者退出扫描， 譬如，时间优先时，则在出现第一个满足条件肌电脉冲时退出；如效果优先，则在可用的全数据集扫描后退出；如全数据集扫描完成后仍未能发现至少一组合格参数组合时，则提示重新设置电极位置或参数范围。
308 发现可用参数组合
控制单元算法依据预设逻辑，选择可用参数组合，
进一步，，当快速确定参数组合为第一优先级时，出现一个满足条件的参数组合即为可用参数，亦即检测到的肌电出现第一个达到阈值时的参数组合；
进一步，当需要用户体验优先时，综合平衡刺激强度与用户体验的场景下，可对所有参数组合进行扫描后，发现满足条件下用户体验最优的组合；
进一步，可根据刺激电极阵列与目标神经的相对位置的具体情形或前期扫描结果，预先剔除或者用算法动态剔除部分参数组合，以减少扫描次数缩短参数发现周期。
309 等待指令或直接以可用参数配置输出电流
根据应用程序需要，可选择储存可用参数、待机等待下一指令，或者直接调用可用参数配置输出电流实施刺激。
综上，基于本发明实例提出的针对外周躯体运动神经的电刺激器，以所述流程可实现以闭环控制方式，穷举参数组合调整干涉电场形成位置、大小、频率、强度，达到自动发现、选择最优刺激方案的目的，简单快速实现外周深部神经的选择性定点刺激，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。
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 (8)
1.一种外周躯体运动神经刺激器，应用于外周躯体运动神经，其特征在于，至少包括一个干涉电场刺激单元、一个肌电采集单元、一个控制单元，所述三个单元以及目标神经、目标肌肉组成闭环系统，其中：
所述干涉电场刺激单元，受控于控制单元、输出至少两路中频信号在组织内部形成干涉电场、用于对目标神经实施干涉电场刺激；
所述肌电采集单元用于采集目标神经的支配肌肉生物电信号，作为刺激信号的反馈提交至控制单元；
所述控制单元连接干涉电场刺激单元和肌电采集单元，用于控制干涉电场刺激单元刺激信号输出、接收肌电采集单元反馈输入，发现最优刺激参数。
2.根据权利要求1所述的外周躯体运动神经刺激器，其特征在于，所述控制单元用于存储数据、控制恒流源的信号输出、接收肌电反馈、控制干涉电场刺激单元选择。
3.根据权利要求1所述的外周躯体运动神经刺激器，其特征在于，干涉电场刺激单元包括，恒流源、开关阵列、刺激电极阵列等，其中开关阵列连接恒流源的输出端与刺激电极阵列，受控于控制单元寻址将恒流源信号选择性输出到指定刺激电极。
4.根据权利要求1所述的外周躯体运动神经刺激器，其特征在于，所述肌电采集单元，包括，采集电极、多级放大、滤波、信号转换等电路，用于采集目标肌肉动作电位信号反馈输出到控制单元。
5.一种外周躯体运动神经刺激方法，应用权利要求1-4 任意一项所述的外周对躯体运动神经刺激器，其特征在于，选择不同的参数组合、输出信号扫描刺激支配骨骼肌的运动神经，同时采集并存储目标神经的受控肌肉在每种参数组合信号刺激下的肌电数据，将各种组合与肌电反馈数据配对比较，用算法自动发现并选择最佳刺激方案。
6.根据权利要求5所述的外周躯体运动神经刺激方法，其特征在于，进行新的刺激输出时，至少改变参数组合中包括基准频率、差频、电极选择、总电流 、电流比中的一项。
7.根据权利要求5所述的外周躯体运动神经刺激方法，其特征在于，所述干涉电场刺激单元以开关阵列控制刺激电极阵列，刺激电极阵列设置于需要刺激的目标神经的入肌点以前。
8.根据权利要求5所述的外周躯体运动神经刺激方法，其特征在于，所述刺激电极阵列的输出电极可以平行设置，也可以设置于同一直线上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210862480.7A CN115253074A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 外周躯体运动神经刺激器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210862480.7A CN115253074A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 外周躯体运动神经刺激器 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115253074A true CN115253074A (zh) | 2022-11-01 |
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| CN202210862480.7A Pending CN115253074A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 外周躯体运动神经刺激器 |
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| CN (1) | CN115253074A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116531662A (zh) * | 2023-05-08 | 2023-08-04 | 天津大学 | 一种基于相干电的周围神经损伤无创靶向电刺激装置 |
| CN116702534A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-09-05 | 天津大学 | 基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法及电刺激装置 |
-
2022
- 2022-07-22 CN CN202210862480.7A patent/CN115253074A/zh active Pending
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20221101 |
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