CN115916055A - 用于可植入肌肉接口的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种可植入人机接口系统，其包括可植入肌肉接口设备，该可植入肌肉接口设备包括基板，该基板包括第一多个传感器和第二多个放大器，其在表示意志肢体移动的神经信号的控制下分别捕获和放大源自运动单元的肌电(EMG)信号；以及收发器设备，所述收发器设备连接到第一多个传感器，将信号无线地传送到外部解码器，该外部解码器产生对表示运动单元的移动的运动信号进行区分的解码信号，其中基板至少部分地围绕产生EMG信号的肌肉；以及接收器设备，其使用解码信号以用于与外部系统进行交互。系统包括第一多个电极和第二可植入功率源，该第二可植入功率源为了感觉反馈和神经调节的目的而将电刺激施加到下层组织和其内的感觉轴突。

Description

用于可植入肌肉接口的系统和方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年5月27日提交的美国临时专利申请第63/030,778号的优先权，该美国临时专利申请通过援引整体纳入于此。

技术领域

本教导总体上涉及用于可植入肌肉接口的系统和方法。

背景技术

对于许多因神经损伤而失去肢体功能的人来说，截肢仍然被认为是最后的手段，因为假体的功能在过去四十年或更长时间里一直保持相对不变。这一情况部分是由于机器和人类神经系统之间缺乏强有力的联系。因为人类缺乏与机器无缝通信的有意义的方式，这仍然是假体和外骨骼辅助技术进步的瓶颈，也是这种技术未来影响的瓶颈。

发明内容

根据本公开的示例，公开了一种可植入肌肉接口系统。所述可植入肌肉接口系统包括基板，该基板包括：第一多个传感器和第二多个放大器，该第一多个传感器和第二多个放大器在表示意志肢体移动的神经信号的控制下分别捕获和放大源自运动单元的肌电(EMG)信号；以及无线收发器设备，该无线收发器设备电连接到第一多个传感器，将信号无线地传送到外部解码器，该外部解码器产生用于对表示运动单元的移动的运动信号(motorsignal)进行区分的解码信号，其中基板至少部分地围绕产生EMG信号的肌肉，该可植入人机接口系统包括接收器设备，该接收器设备使用所述解码信号与外部系统进行交互。

在可植入肌肉接口系统中可包括各种附加特征，该可植入肌肉接口系统包括以下特征中的一个或多个。基板是柔性的、刚性的或半刚性的。接收器设备包括放大组件、滤波组件、无线通信组件或它们的组合。基板、第一多个传感器、第二多个放大器和无线收发器设备被封围在单个气密密封容器或封装涂层中。可植入肌肉接口系统可进一步包括功率源，该功率源对第一多个传感器、第二多个放大器和无线收发器设备供电。基板、第一多个传感器、第二多个放大器、无线收发器设备、以及功率源被封围在单个气密密封容器或封装涂层中。第一多个传感器、第二多个放大器和无线收发器设备由电磁功率源、超声功率源、压电功率源或光功率源从外部供电。由无线收发器设备传送的信号是从来自第一多个传感器的多个信道进行多路复用的模拟信号、或者是从来自第一多个传感器的多个信道进行多路复用并用模数转换器数字化的模拟信号、或者是用于安全通信的加密信号。基板由生物相容性材料构成，该生物相容性材料包括聚合物、聚对二甲苯、塑料、橡胶、硅树脂、聚合物纤维、丝素蛋白、3D打印聚合物、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、金属、水凝胶或脱细胞支架。基板由具有导电电极以及沉积或嵌入其中的导电迹线的生物相容性聚合物构成，该生物相容性聚合物包括：生物相容性金属；导电聚合物；包括纤维、纳米管和石墨烯的导电碳基材料；金；铂；聚吡咯；聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)；或其组合。外部系统包括假肢、矫形器、外骨骼、计算机、家用电器、遥控器、游戏设备、移动计算设备、音频设备、增强现实系统、虚拟现实系统或人类增强/强化设备。可植入肌肉接口设备与包括肌肉移植物或处于各种生物状态的肌肉的目标组织兼容，处于各种生物状态的所述肌肉包括保持不变、血管化-神经支配、血管化-去神经支配、去血管化-去神经支配、去血管化-神经支配的肌肉，所述肌肉移植物包括自体移植物、异种移植物、同种异体移植物、同系移植物、细胞培养物或合成替代物。基板包括第一多个电极(诸如一个或多个刺激电极)或超声换能器，该第一多个电极或超声换能器针对来自假肢或外骨骼的感觉反馈，向下层感觉轴突提供电刺激或超声刺激。

根据本公开的示例，公开了一种使用可植入肌肉接口设备来控制外部设备的方法。该方法包括：从对表示下层肌肉的刺激或收缩的肌电(EMG)信号进行检测的一个或多个传感器获取信号，其中所述一个或多个传感器沉积或嵌入基板内，该基板至少部分地围绕下层肌肉；以及利用放大器和滤波器电子器件来检测EMG信号，该放大器和滤波器电子器件通过植入的收发器无线地传送EMG信号；通过植入的收发器无线地传送EMG信号；通过外部接收器无线地接收EMG信号；使用将EMG信号转换成离散控制信号的解码算法来对检测到的EMG信号进行解码；以及基于将控制信号与用户的意图相关联的机器学习算法，使用被分离的控制信号以用于操纵设备。

在可植入肌肉接口系统中可以包括各种附加特征，所述可植入肌肉接口系统包括以下特征中的一个或多个。基板由生物相容性材料构成，该生物相容性材料包括聚合物、塑料、橡胶、硅树脂、聚合物纤维、丝素蛋白、3D打印聚合物、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、金属、水凝胶或脱细胞支架。基板由具有沉积或嵌入其中的导电电极和导电迹线的生物相容性聚合物构成，该生物相容性聚合物包括：生物相容性金属；导电聚合物；包括纤维、纳米管和石墨烯的导电碳基材料；金；铂；聚吡咯；聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)；或其组合。外部系统包括假肢、矫形器、外骨骼、计算机、家用电器、遥控器、游戏设备、移动计算设备、音频设备、增强现实系统、虚拟现实系统或人类增强/强化设备。可植入肌肉接口设备与包括处于各种生物状态的肌肉的目标组织兼容，处于各种生物状态的所述肌肉包括保持不变、血管化-神经支配、血管化-去神经支配、去血管化-去神经支配、去血管化-神经支配的肌肉、或肌肉移植物，该肌肉移植物包括自体移植物、异种移植物、同种异体移植物、同系移植物、细胞培养物或合成替代物。

根据本公开的示例，公开了一种安装可植入肌肉接口设备的方法。安装可植入肌肉接口设备的方法包括：准备植入部位；以及将基板固定到植入部位，其中基板包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器检测表示下层肌肉的移动的肌电(EMG)信号，其中基板至少部分地围绕下层肌肉。植入部位的准备包括从周围组织中提升下层肌肉的至少一个肌肉段，同时保持附着于提供灌注的血管；使用一个或多个刺激电极或一个或多个超声换能器来标识向至少所述肌肉段提供电刺激的神经；分割至少被标识的肌肉段，以确保去神经；用至少被分离的肌肉段包裹被切断的神经或神经束的近端残肢的远端，或者将被切断的神经的近端残肢的远端放置在所述肌肉段的一部分内，并用缝合线或纤维蛋白胶固定近端残肢。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本教导的实现，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：

图1A示出了根据本公开的示例的第一示例可植入肌肉接口系统的透视图。

图1B示出了图1A的一部分的详细视图。

图1C示出了图1A的系统的正视图。

图1D示出了图1A的系统的正视图。

图1E示出了图1A的系统的另一正视图。

图2A示出了根据本公开的示例的第二示例可植入肌肉接口系统和第三示例可植入肌肉接口系统的正视图。

图2B示出了图2A的系统的背视图。

图2C示出了图2A的系统的详细视图。

图2D示出了图2A的系统的另一视图。

图3示出了根据本公开的示例的可植入肌肉接口系统内的电子组件的示例。

图4示出了根据本公开的示例的使用可植入肌肉接口设备向外部设备传送信号和从外部设备传送信号的方法。

图5示出了根据本公开的示例的通过分解来自可植入肌肉接口设备的传送信号来控制外部设备的方法。

图6示出了根据本公开的示例的安装可植入肌肉接口设备的方法。

图7示出了根据本公开的示例的由多个肌肉单元控制的假体。

图8示出了根据本公开的示例的由肌肉单元控制的触觉传感器启用的假体。

图9示出了根据本公开的示例的图1或图2的设备在残肢上的附着视图。

图10示出了根据本公开的示例的由三个独立的EMG传感器获取的EMG信号的表示。

图11A示出了根据本公开的示例的EMG单元的俯视透视图1100，并且图11B示出了根据本公开的示例的EMG单元的侧视图1102表示。

图12示出了根据本公开的示例的具有柔性的、可拉伸的聚合物电极阵列的EMG设备。

图13示出了根据本公开的示例的具有柔性的、可拉伸的网状电极阵列的EMG设备。

图14A示出了根据本公开的示例的具有描绘截肢线的虚线的手臂。图14B示出了图14A的手臂的截面，其中根据本公开的示例的柔性无线设备包裹所示的神经纤维。图14C示出了根据本公开的示例的响应于神经纤维的激活并具有连接的血液供应的肌肉纤维的节段。图14D示出了根据本公开的示例的图14C的肌肉纤维的节段，其中柔性无线设备(例如，神经包裹物)包裹在该节段周围。

图15示出了根据本公开的示例的用于控制上肢假体和下肢假体两者的柔性无线设备的示例用途。

图16示出了根据本公开的示例的用于手部假体的柔性无线设备的示例用途。

图17示出了根据本公开的示例的植入未受伤个体中用于技术控制的柔性无线设备，其可用于无线控制机器人设备，诸如外骨骼。

图18示出了根据本公开的示例的用于准备植入部位的方法。

应注意，这些附图的一些细节已经被简化，并且是为了便于理解本教导而绘制的，而不是为了维持严格的结构准确性、细节和比例。

具体实施方式

一般而言，本公开提供了一种可植入肌肉接口系统、一种使用可植入肌肉接口设备控制外部设备的方法、以及一种安装可植入肌肉接口设备的方法。在一些示例中，可植入肌肉接口设备可以由其电极或超声换能器、电子器件、无线设备和3D打印的其他示例的组件系统组装而成，并且可以配置为袖带状肌肉接口，其与神经切断后新支配的肌肉部分相互作用，并且能够记录(通过一个或多个传感器，诸如记录电极)肌肉和刺激(通过一个或多个刺激电极或者一个或多个超声换能器)肌肉，并影响外周神经系统中的神经活动和控制假体的性能。可植入肌肉接口设备可用于利用EMG信号，该EMG信号源自用于治疗/预防神经切断(诸如单神经损伤或完全截肢)后的神经疼痛的外科发明。然后，可植入肌肉接口设备可以通过捕获的EMG信号来控制机器或设备，诸如但不限于假肢、外骨骼或其他辅助设备或移动设备，诸如电动轮椅。如本文所用，术语“传感器”可以是记录电极。

图1A示出了根据本公开的示例的第一示例可植入肌肉接口系统100的透视图。图1B示出了图1A的一部分的详细视图。图1C示出了图1A的系统的正视图。图1D示出了图1A的系统的正视图。图1E示出了图1A的系统的另一正视图。图2A示出了根据本公开的示例的第二示例可植入肌肉接口系统和第三示例可植入肌肉接口系统200的正视图。图2B示出了图2A的系统的背视图。图2C示出了图2A的系统的详细视图。图2D示出了图2A的系统的另一视图。可植入肌肉接口系统100和200包括可植入肌肉接口设备102。可植入肌肉接口设备102与包括处于各种生物状态的肌肉的目标组织相容，处于各种生物状态的肌肉包括血管化-神经支配、血管化-去神经支配、去血管化-去神经支配、去血管化-神经支配肌肉、或肌肉移植物，该肌肉移植物包括自体移植物、异种移植物、同种异体移植物、同系移植物、细胞培养物或合成替代物。

可植入肌肉接口设备102包括第一基板104或第二基板202。第一基板104和第二基板202可以是柔性的、刚性的或半刚性的。第一基板104是刚性的，而第二基板202是柔性的。在一些示例中，第一基板104和/或第二基板202由生物相容性材料构成，所述生物相容性材料包括聚合物、塑料、橡胶、硅树脂、聚合物纤维、丝素蛋白、3D打印聚合物、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、金属、水凝胶、脱细胞支架或其组合。在一些示例中，第一基板104和/或第二基板202由具有导电电极或超声换能器以及沉积或嵌入其中的导电迹线的生物相容性聚合物构成，包括：生物相容性金属；导电聚合物；包含纤维、纳米管和石墨烯的导电碳基材料；金；铂；聚吡咯；聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)；聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)；其他导电聚合物；或其组合。

第一基板104和/或第二基板202包括第一多个传感器106和第一多个放大器108。第一多个传感器106捕获并且第一多个放大器108在表示意志肢体移动的神经信号的控制下放大源自运动单元的肌电(EMG)信号。可植入肌肉接口设备102还包括无线收发器设备110，无线收发器设备110电连接到第一多个传感器106，将信号无线传送到外部解码器112，外部解码器112产生对表示运动单元的移动的运动信号进行区分的解码信号。第一基板104和/或第二基板202至少部分地围绕产生EMG信号的肌肉。在一些示例中，第一基板104和/或第二基板202、第一多个传感器106、第一多个放大器108和无线收发器设备110被封围在单个气密密封的容器中。气密密封容器将完全封围接口设备的所有组件，这些组件不是为与组织相互作用而设计的，诸如可部分封围的基板和传感器，并且应包括一些生物相容性材料，诸如但不限于钛、氧化铝、氧化锆或其他陶瓷。在一些示例中，第一基板104和/或第二基板202可包括第一多个电极114(或超声换能器)，该第一多个电极114(或超声换能器)针对来自假肢的感觉反馈，向下层的感觉轴突提供电刺激(通过一个或多个刺激电极)(或者通过一个或多个超声换能器的超声刺激)。

在一些示例中，可植入肌肉接口设备102包括功率源116，功率源116为第一多个传感器106、第一多个放大器108、无线收发器设备110或第一多个电极114中的一者或多者供电。在一些示例中，第一多个传感器106、第一多个放大器108、无线收发器设备110或第一多个电极114中的一者或多者由电磁功率源、超声功率源、压电功率源或光功率源在外部供电。图3示出了所有这些电子组件的示例布局300。由无线收发器设备110传送的信号可以是从来自第一多个传感器的多个信道进行多路复用的模拟信号、或者从来自第一多个传感器的多个信道进行多路复用并用模数转换器数字化的模拟信号、或者用于安全通信的加密信号。

可植入肌肉接口系统100还包括接收器设备118，接收器设备118使用解码信号与外部系统120交互。接收器设备118可包括放大组件、滤波组件或两者。

在一些示例中，外部系统120包括假肢、轮椅、计算机、鼠标光标、家用电器、遥控器、游戏设备、移动计算设备、音频设备、增强现实系统、虚拟现实系统或人类增强/强化设备。

图4示出了根据本公开的示例的使用可植入肌肉接口设备控制外部设备的方法400。如在402中，方法300通过从检测表示下层肌肉的刺激或收缩的肌电(EMG)信号的一个或多个传感器获取信号而开始。返回参考图1和图2，一个或多个传感器(诸如第一多个传感器106)沉积在基板上、嵌入在基板内或附着到基板，该基板诸如是第一基板102或者第二基板202，并且至少部分地围绕下层肌肉。可植入肌肉接口设备102的第一基板102和第二基板202可以由生物相容性材料构成，所述生物相容性材料包括聚合物、塑料、橡胶、硅树脂、聚酰亚胺、苝、聚合物纤维、丝素蛋白、3D打印聚合物、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、金属、水凝胶、脱细胞支架或其组合。第一基板102和第二基板202可以由具有沉积或嵌入其中的导电电极和导电迹线的生物相容性聚合物构成，包括：生物相容性金属；导电聚合物；包含纤维、纳米管和石墨烯的导电碳基材料；金；铂；聚吡咯；聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)；或其组合。可植入肌肉接口设备102可以与包括处于各种生物状态的肌肉的目标组织兼容，处于各种生物状态的肌肉包括血管化-神经支配、血管化-去神经支配、去血管化-去神经支配、去血管化-神经支配肌肉、或肌肉移植物，该肌肉移植物包括自体移植物、异种移植物、同种异体移植物、同系移植物、细胞培养物或合成替代物。

如在404中，方法400继续用放大器和滤波器电子器件来检测EMG信号，该放大器和滤波器电子器件通过植入的收发器无线传送EMG信号。继续关于图1和图2的示例，EMG信号由第一多个传感器106检测并由第一多个放大器108放大。如在404中，方法400通过经由外部接收器无线地接收EMG信号来继续。继续该示例，无线收发器设备110接收EMG信号并将其无线地传送到接收器设备118。如在406中，方法400通过使用将EMG信号转换成离散控制信号的解码算法，对检测到的EMG信号进行解码来继续。如在408中，方法400通过使用基于机器学习算法分离的用于操纵设备的控制信号来继续，该机器学习算法将多个控制信号与用户的意图相关联。例如，设备可以包括假肢、轮椅、计算机、鼠标光标、家用电器、遥控器、游戏设备、移动计算设备、音频设备、增强现实系统、虚拟现实系统或人类增强/强化设备。

图5示出了用于使用可植入肌肉接口系统来控制这种外部设备的方法500。在该示例中，作为上肢截肢者中的臂丛神经的神经元活动的结果被传送的EMG信号由假体手臂内的接收器设备118来接收。信号被解码以电子地重新定位手部。例如在502中，该方法500可以是单向的前馈控制系统。替代地，诸如在504中，方法500可以是具有感觉反馈的双向通信系统。在双向系统中，可植入肌肉接口设备102具有无线收发器110和用于接收来自外部传感器的信号的接收器两者。这些信号以电刺激的形式编码，并通过第一多个刺激电极114或者一个或多个超声换能器传递到神经系统。

图6示出了根据本公开的示例的安装可植入肌肉接口设备的方法600。如在602中，方法600通过准备植入部位来开始。例如，准备植入部位包括从周围组织中提升下层肌肉的至少一个肌肉段，同时保持附着于提供灌注的血管；标识对至少上述肌肉段提供电刺激的神经；分割所标识的肌肉段以确保去神经；用至少上述肌肉段包裹被切断的神经或神经束的近端残肢的远端，或者将被切断的神经的近端残肢的远端放置在肌肉的一部分内，并用缝合线或纤维蛋白胶固定所述残肢。

如在604中，方法600通过将基板固定到植入部位来继续。具有结合的缝合孔的设备通过在设备的近端和远端上彼此相距180度的至少两条缝合线(总共至少4条缝合线)固定到感兴趣的组织和周围的组织床上。这些缝合线可以固定到肌肉、神经外膜、神经束膜、筋膜、肌腱、韧带、骨膜等。附着组织和位置将取决于每个患者的解剖要求。然后，组织/设备构造物可被一些保护性可生物降解护套覆盖，以包括但不限于异种肠、脱细胞包裹物、合成包裹物。这样做是为了在愈合过程中保护设备免受纤维化和拴系。再次返回参考图1和图2，诸如第一基板104和第二基板202的基板包括一个或多个传感器，诸如第一多个传感器106，其检测表示下层肌肉的移动的肌电(EMG)信号。基板至少部分地包围下层肌肉。诸如无线收发器设备110的无线收发器设备电连接到一个或多个传感器和伴随/相接的电子设备，所述电子器件将EMG信号无线传送到外部控制器，诸如接收器设备118和/或外部系统120。

图7示出了根据本公开的示例的由多个肌肉单元控制的假体。在残肢704中示出了三个肌肉单元702，其中每个肌肉单元包括神经支配肌肉的神经710和使肌肉血管化的血管708。使用图1或图2的设备从每个肌肉单元检测EMG信号，并通过相关联的电子器件712对EMG信号进行放大、滤波、驱动和无线通信，相关联的电子器件712使用无线通信模块714来控制假体706。

图8示出了根据本公开的示例的由肌肉单元控制的触觉传感器启用的假体。在残肢704中示出了肌肉单元702，其中肌肉单元包括用于神经支配肌肉的神经710和用于使肌肉血管化的血管708。使用图1或图2的设备从肌肉单元702检测EMG信号，并通过相关联的电子器件802对EMG信号进行放大、滤波、驱动和无线通信，相关联的电子设备802使用无线通信模块804来控制触觉传感器启用的假体812。附着到残肢704的刺激传感器810为用户提供感觉反馈，该感觉反馈被递送到触觉传感器启用的假体812上的触觉传感器808，该感觉反馈在806处由无线通信模块804提供回图1或图2的设备。

图9示出根据本公开的示例的图1或图2的设备在残肢上的附着视图。在残肢704中示出了肌肉单元702，其中肌肉单元包括用于对肌肉进行神经支配的神经710和用于使肌肉血管化的血管708。

图10示出了根据本公开的示例的基于由三个独立的EMG传感器获取的EMG信号的控制信号处理。传感器1002示出EMG 1 1004，其表示在电极1处的肌肉1006的运动单元活动。传感器1010示出EMG2 1012，其表示在电极2处的肌肉1006的运动单元活动。传感器1014示出EMG 3 1016，其表示在电极3处的肌肉1006的运动单元活动。EMG1 1004、EMG2 1012和EMG 3 101 6中的每一个由EMG电子器件1018接收并由解码器电子器件1020解码，以产生相应的控制信号1022、1024、以及1026。控制信号1022、1024、以及1026由机器学习算法1028处理，以控制假肢1032中的嵌入式控制器1030。

图11A示出了根据本公开的示例的EMG单元的俯视透视图1100，并且图11B示出了根据本公开的示例的EMG单元的侧视图1102表示。电极1104的端子端部定位成与肌肉1106物理接触。气密密封封装1108包括与电极1104电接触的电子器件1110(硅芯片或电路)。

图12示出了根据本公开的示例的具有柔性金属电极、碳纤维或纤维网、或者可拉伸的聚合物电极阵列1200的EMG设备。柔性的、可拉伸的聚合物电极阵列1200包括封装在与肌肉1206物理接触的聚合物材料1204中的电极1202的阵列。

图13示出了根据本公开的示例的具有柔性的、可拉伸的网状电极阵列1300的EMG设备。柔性的、可拉伸的网状电极阵列1300包括封装在与肌肉1206物理接触的网状材料1302中的电极1202的阵列。

根据本公开的示例，公开了一种柔性无线设备，其包裹在任意种类或大小的一个或多个肌肉周围。柔性无线设备可以放置在肌肉顶部上、包裹、缝合或粘合到截肢残肢的整个圆周。柔性无线设备可以包括植入皮肤下和下层肌肉顶部上的长电极片。电极片可以符合任何解剖结构，因为它是柔性的和/或可拉伸的。例如，如图14A、图14B、图14C和图14D中所示，只要包含无线供电接收器的片的端部到皮肤的距离保持在厘米的量级上的某个距离内，设备的其余部分就可以根据任何个体用户的需要来进行配置。不是将柔性电极片包裹在已经受神经支配和血管化的离散肌肉块上，而是可以将柔性电极片植入一个或多个肌肉并包裹在一个或多个肌肉周围，该一个或多个肌肉可以接受或可以不接受任何直接的操纵。在这个示例中，肌肉的状态是不相关的。包括柔性电极片的设备可以拾取在其被植入的身体部分内产生的任何肌肉信号，而不管是否有高级的手术操纵(肌肉神经再支配)。该设备可以符合以期望的方式记录来自下层肌肉的电活动的任何解剖结构。

图14A示出了具有描绘截肢线的虚线1402的臂。图14B示出了具有神经纤维1404、1406和1408的图14A的截肢残肢，并且示出具有柔性无线设备1410包裹在其中已经植入了神经纤维的肌肉块周围。图14C示出了响应于植入的神经纤维1406的激活并且具有经连接的血液供应1414的肌肉1412的节段。图14C示出了响应于植入的神经纤维1406的激活并且具有经连接的血液供应1414的肌肉1412的节段。图14D示出了图14C的肌肉的节段，其中柔性无线设备1414(例如，神经包裹物)包裹在该节段周围。肌肉1412的节段由相应的轴突信号激活，并且随后被柔性无线设备1414检测。无线控制信号从柔性无线设备1414传送到假体部1416，或者从柔性无线设备1502传送到外部链路1514，该外部链路1514然后可以将信号中继到感兴趣的机器(即假体)1416。

图18示出了根据本公开的示例的用于准备植入部位的方法。植入部位的准备包括从周围组织中提升下层肌肉的至少一个肌肉段，同时保持附着于提供灌注的血管；标识向至少所述肌肉段提供电刺激的神经；分割至少所标识的肌肉段以确保去神经；用至少被分离的肌肉段包裹被切断的神经或神经束的近端残肢的远端，或者将被切断的神经的近端残肢的远端放置在肌肉段的一部分内，并用缝合线或纤维蛋白胶固定近端残肢。

图15示出了根据本公开的示例的用于上肢假体和下肢假体两者的柔性无线设备的示例用途。示出了柔性无线设备1502俯视图1504和仰视图1506。俯视图1504示出了感应功率模块1508(其也可以采取诸如压电超声接口连接之类的功率传输的一些替代设备的形式)，并且仰视图1506示出了记录电极1510。柔性无线设备1502围绕(多个)肌肉1512，其中记录电极1510检测来自肌肉1512的信号。柔性无线设备1502由外部功率链路1514激活，外部功率链路1514可以包含(但不限于)电池、功率发射器、ASIC、天线，并且柔性无线设备1502经由通常使用的无线数据流1516形式的数据传输机制将数据无线传送到外部链路1514或直接传送到机器(即，假体，上部假体和下部假体两者)。

在一些示例中，可在感兴趣的身体的部位内放置多个植入物。如果一个设备不足以覆盖截肢残肢的期望周长，例如，可以植入多个植入物来覆盖必要的区域。再一次，植入物的无线接收器部分保持相对靠近皮肤，使得它们可以通过皮肤和覆盖组织供电或充电。每个设备可以通过自身的外部链路来单独地供电或充电，或者经由一个重叠线圈(或替代功率源，诸如超声换能器)一起供电或充电。

图16示出了根据本公开的示例的用于手部假体的柔性无线设备的示例用途。示出了柔性无线设备1602的俯视图1604、仰视图1606、侧视图1608。俯视图1604和侧视图1608示出了收发器和电池模块1610，而仰视图1606和侧视图1608示出了记录电极1612。柔性无线设备1602围绕(多个)肌肉1614，其中记录电极1612检测来自(多个)肌肉1614的信号。柔性无线设备1602由收发器和电池模块1610主动供电或充电，并且柔性无线设备1602以无线数据流的形式从无线发射器模块1616无线地传送数据。柔性无线设备可以主要通过经皮感应装置连续供电，或者头型无线设备可以通过经皮感应设备(或一些合理的替代性功率源方案)间歇地充电。如图16所示，存在两个单独的柔性无线设备，每个柔性无线设备围绕不同的肌肉群。这只是一个非限制性的示例。例如，根据需要、个体解剖结构，例如，特定肢体和截肢水平、以及基于针对肢体(或其他技术)控制的功能需要在逐个用户的基础上应用的使用情况，可以只有一个柔性无线设备或者多于两个柔性无线设备。

如本文所公开的柔性无线设备可以植入身体健全(未受伤)的个体中。柔性无线设备可以植入到肌肉间室(compartment)周围的皮肤和结缔组织下。然后，这种柔性的无线设备可以记录来自下层正常肌肉的信号，并将它们无线中继到体外，用于任何期望目的。可根据期望的使用情况，将它植入身体任何肌肉的顶部上或周围。

如本文所公开的柔性无线设备可以经由经皮(穿过皮肤)磁性或射频(无线)链接(linkage)而使用固定到位的外部供电链路/硬件来操纵。外部链路也可以经由粘合膜、压缩套筒状材料、罩盖(clothing)或者将外部物体固定到身体上的期望位置的任何其他设备固定到位。植入的设备可以将数据(经由蓝牙或其他方式)无线中继到在身体表面上的外部功率链路。然后，外部功率链路可以将信息无线中继到任何同步设备(电话、假体、矫形器、外骨骼等)。植入的设备还可以将信息直接无线中继到同步设备，而无需供电链路作为中介。在一些示例中，在随后将数据传输到(多个)同步设备之前，可以在外部供电链路内进行某种形式的数据处理。植入的系统和外部功率链路可以基于用户的需要，独立地或者作为单元来切换同步到哪个设备。

如本文所公开的可植入设备(例如，柔性无线设备)还可经由存在于设备表面上的电极来将电流施加到下层组织中。这些电极可以是用于记录肌肉信号的相同电极，也可以是结合到设备中的专门用于刺激目的的不同电极。刺激的目的是诱导传入(朝向大脑)神经活动，以便治疗疼痛或产生感觉。传入神经活动的刺激可通过超声手段或电手段来完成。小型超声换能器可以像电极一样放置在柔性植入物的表面上，然后电极可以将超声能量传递到下层组织中，以实现与电刺激相同的效果。基于期望的最终效果，电/超声刺激可以聚焦或瞄准离散的位置。这可以经由刺激参数调制和时空多源调制来完成。

图17示出了植入在身体健全的个体的手臂1702或腿部1704内的肌肉的顶部上的一个或多个柔性无线设备，其可用于无线控制诸如外骨骼1706之类的机器/设备。

上述描述是说明性的，并且本领域技术人员可以进行配置和实现的变化。另外，结合本文所公开的实施例描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块以及电路可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、加密协处理器或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或被设计用于执行本文描述的功能的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

在一个或多个示例性实施例中，能以硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现所描述的功能。对于软件实现，本文描述的技术可以用执行本文描述的功能的模块(例如，过程、功能、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类等)来实现。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容，模块可以耦合到另一模块或硬件电路。可以使用包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传送等任何合适的方式来传递、转发或传送信息、自变量、参数、数据等。软件代码可以存储在存储器单元中并且由处理器执行。存储器单元可以在处理器内或处理器外部实现，在这种情况下，它可以经由本领域已知的各种设备通信地耦合到处理器。

在一个或多个示例性实施例中，能以硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现所描述的功能。对于软件实现，本文描述的技术可以用执行本文描述的功能的模块(例如，过程、功能、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类等)来实现。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容，模块可以耦合到另一模块或硬件电路。可以使用包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传送等的任何合适的方式来传递、转发或传送信息、自变量、参数、数据等。软件代码可以存储在存储器单元中并且由处理器执行。存储器单元可以在处理器内或处理器外部实现，在这种情况下，它可以经由本领域已知的各种设备通信地耦合到处理器。

Claims (20)

1.一种可植入肌肉接口系统，包括：

基板，所述基板包括：

第一多个传感器和第二多个放大器，所述第一多个传感器和

第二多个放大器在表示意志肢体移动的神经信号的控制下分别捕获和放大源自运动单元的肌电(EMG)信号；以及

无线收发器设备，所述无线收发器设备电连接到所述第一多个传感器，将信号无线地传送到外部解码器，所述外部解码器产生用于对表示所述运动单元的移动的运动信号进行区分的解码信号，

其中所述基板至少部分地围绕产生所述EMG信号的肌肉；以及

接收器设备，所述接收器设备使用所述解码信号以用于与外部系统进行交互。

2.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述基板是柔性的、可拉伸的、刚性的或半刚性的。

3.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述接收器设备包括放大组件、滤波组件、无线通信组件或它们的组合。

4.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述基板、所述第一多个传感器、所述第二多个放大器和所述无线收发器设备被封围在单个气密密封容器或封装涂层中。

5.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，进一步包括功率源，所述功率源对所述第一多个传感器、所述第二多个放大器和所述无线收发器设备供电。

6.根据权利要求5所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述基板、所述第一多个传感器、所述第二多个放大器、所述无线收发器设备、以及所述功率源被封围在单个气密密封容器或封装涂层中。

7.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述第一多个传感器、所述第二多个放大器和所述无线收发器设备由电磁功率源、超声功率源、压电功率源或光功率源从外部供电。

8.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，由所述无线收发器设备传送的所述信号是从来自所述第一多个传感器的多个信道进行多路复用的模拟信号、或者是从来自所述第一多个传感器的多个信道进行多路复用并用模数转换器数字化的模拟信号、或者是用于安全通信的加密信号。

9.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述基板由生物相容性材料构成，所述生物相容性材料包括聚合物、聚对二甲苯聚酰亚胺、塑料、橡胶、硅树脂、聚合物纤维、丝素蛋白、3D打印聚合物、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、金属、水凝胶或脱细胞支架。

10.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述基板由具有导电电极以及沉积或嵌入其中的导电迹线的生物相容性聚合物构成，所述生物相容性聚合物包括：生物相容性金属；导电聚合物；包含纤维、纳米管和石墨烯的所述导电碳基材料；金；铂；聚吡咯；聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)；聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)；或它们的组合。

11.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述外部系统包括假肢、矫形器、外骨骼、计算机、家用电器、遥控器、游戏设备、移动计算设备、音频设备、增强现实系统、虚拟现实系统或人类增强/强化设备。

12.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述可植入肌肉接口系统与包括处于各种生物状态的肌肉的目标组织兼容，处于各种生物状态的所述肌肉包括保持不变、血管化-神经支配、血管化-去神经支配、去血管化-去神经支配、去血管化-神经支配的肌肉、或肌肉移植物，所述肌肉移植物包括自体移植物、异种移植物、同种异体移植物、同系移植物、细胞培养物或合成替代物。

13.根据权利要求1所述的可植入肌肉接口系统，其特征在于，所述基板包括第一多个电极或超声换能器，所述第一多个电极或超声换能器针对来自假肢或外骨骼的感觉反馈，向下层感觉轴突提供电刺激或超声刺激。

14.一种使用可植入肌肉接口设备来控制外部设备的方法，包括：

从检测表示下层肌肉的刺激或收缩的肌电(EMG)信号的一个或多个传感器获取信号，其中所述一个或多个传感器沉积或嵌入基板内，所述基板至少部分地围绕所述下层肌肉；

利用放大器和滤波器电子器件来检测所述EMG信号，所述放大器和滤波器电子设备通过植入的收发器无线地传送所述EMG信号；

通过植入的收发器无线地传送所述EMG信号；

通过外部接收器无线地接收所述EMG信号；

使用将所述EMG信号转换成离散控制信号的解码算法，对检测到的所述EMG信号进行解码；以及

基于将所述控制信号与用户的意图相关联的机器学习算法，使用被分离的所述控制信号以用于操纵设备。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基板由生物相容性材料构成，所述生物相容性材料包括聚合物、塑料、橡胶、硅树脂、聚合物纤维、丝素蛋白、3D打印聚合物、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、金属、水凝胶或脱细胞支架。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基板由具有沉积或嵌入其中的导电电极和导电迹线的生物相容性聚合物构成，所述生物相容性聚合物包括：生物相容性金属；导电聚合物；包含纤维、纳米管和石墨烯的导电碳基材料；金；铂；聚吡咯；聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)；或它们的组合。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述外部设备包括假肢、矫形器、外骨骼、计算机、家用电器、遥控器、游戏设备、移动计算设备、音频设备、增强现实系统、虚拟现实系统或人类增强/强化设备。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述可植入肌肉接口设备与包括处于各种生物状态的肌肉的目标组织兼容，处于各种生物状态的所述肌肉包括保持不变、血管化-神经支配、血管化-去神经支配、去血管化-去神经支配、去血管化-神经支配的肌肉、或肌肉移植物，所述肌肉移植物包括自体移植物、异种移植物、同种异体移植物、同系移植物、细胞培养物或合成替代物。

19.一种安装可植入肌肉接口设备的方法，其特征在于，包括：

准备植入部位；以及

将基板固定到所述植入部位，其中所述基板包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器检测表示下层肌肉的移动的肌电(EMG)信号，其中所述基板至少部分地围绕所述下层肌肉。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述植入部位的准备包括从周围组织中提升所述下层肌肉的至少一个肌肉段，同时保持附着于提供灌注的血管；标识向至少所述肌肉段提供电刺激的神经；分割至少被标识的肌肉段以确保去神经；用至少被分离的肌肉段包裹被切断的神经或神经束的近端残肢的远端，或者将被切断的所述神经的所述近端残肢的所述远端放置在所述肌肉段的一部分内，并且用缝合线或纤维蛋白胶固定所述近端残肢。

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