CN117357800A - 一种神经调控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种神经调控系统，包括：第一刺激器，具有至少一电极，被配置成对外周目标神经施加电刺激；侦测装置，与第一刺激器共同设置于同一肢体，以检测基于电刺激产生的外周目标神经传导时间；第二刺激器，具有至少一磁刺激线圈，被配置为对中枢神经施加磁刺激，侦测装置检测基于磁刺激产生的中枢运动传递时间；控制器，获得中枢运动传递时间与外周目标神经传导时间的时间差值，调控电刺激与磁刺激之间的时间差，令第一刺激器引发的第一反馈在时序上领先第二刺激器引发的第二反馈的时长等于时间差值。本发明能够通过匹配刺激外周目标神经和刺激大脑运动中枢的时间周期，实现改善大脑运动皮层对特定脊髓运动神经元的控制。
Description
技术领域
本发明涉及神经调控领域，具体地说，涉及一种神经调控系统。
背景技术
运动功能障碍是脑卒中后最常见的功能障碍，也是导致脑卒中后肢体残疾的主要原因。然而，即使经过积极的康复治疗，绝大部分脑卒中患者的偏瘫上肢将长期维持着屈曲的运动模式，而伸展功能难以恢复，这使得近1/3的脑卒中患者永久地丧失了工作能力。因此，如何有效改善脑卒中患者上肢伸展功能，是目前亟待解决的关键问题。
皮层-脊髓运动神经元成对刺激(Paired Corticospinal-Motor neuronalStimulation，PCMS)是一种新型的神经调控技术，可通过计算中枢运动传导时间(经颅磁刺激所诱发的运动诱发电位的潜伏期)与外周运动神经传导时间(外周运动神经电刺激所诱发的靶肌肉F波的潜伏期)的差值，确保经颅磁刺激所引发的下行运动信号，在正中神经/胫神经经电刺激所引发的逆行冲动信号之前3ms，优先激活支配上肢/下肢屈曲运动的脊髓前角神经元，从而诱导产生脉冲时间依赖性可塑(SpikeTiming-Dependent Plasticity，STDP)的突触重塑。因此，目前PCMS技术仅适用于脊髓损伤患者，并可在一定程度上改善其手部及下肢的屈曲运动功能。
然而，由于脑卒中患者偏瘫上肢的屈曲运动功能，往往可通过康复训练得以一定程度的改善，但是伸展功能难以恢复；此外，由于脑卒中患者脊髓中支配屈曲运动的神经元兴奋性，显著高于支配伸展运动的神经元兴奋性，中枢下行运动信号难以对伸肌运动神经元进行有效募集，这使得例如目前临床常用的成对关联刺激PAS(paired associativestimulation，PAS)，以及常规经颅磁刺激等，都难以改善脑卒中患者偏瘫上肢的伸展能力。而如果利用现有的外周神经电刺激技术，PCMS技术等，则可能会引起脑卒中患者牵张反射亢进和肢体痉挛，从而进一步固化脑卒中患者的屈曲运动模式。
因此，本发明提供了一种神经调控系统。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种神经调控系统，克服了现有技术的困难，能够通过匹配刺激外周目标神经和刺激大脑运动中枢的时间周期，实现改善大脑运动皮层对特定脊髓运动神经元的控制。
本发明的实施例提供一种神经调控系统，包括：
第一刺激器，具有至少一电极，所述第一刺激器被配置成对外周目标神经施加电刺激；
侦测装置，与所述第一刺激器共同设置于同一肢体，以检测基于所述电刺激产生的外周目标神经传导时间；
第二刺激器，具有至少一磁刺激线圈，所述第二刺激器被配置为对中枢神经施加磁刺激，所述侦测装置检测基于所述磁刺激产生的中枢运动传递时间；以及
控制器，获得述中枢运动传递时间与外周目标神经传导时间的时间差值，根据所述时间差值调控所述第一刺激器的电刺激与第二刺激器的磁刺激之间的时间差，令所述第一刺激器引发的第一反馈在时序上领先所述第二刺激器引发的第二反馈的时长等于所述时间差值。
优选地，所述第二刺激器和控制器被设置于检测对象的头部，所述第一刺激器被设置于检测对象的上臂，侦测装置被设置于检测对象的前臂。
优选地，所述控制器分别通过线缆有线连接或通过通讯模块无线连接所述第一刺激器、侦测装置以及第二刺激器。
优选地，所述第一刺激器被配置成重复地施加电刺激，所述第二刺激器被配置成重复地施加磁刺激，且所述第二刺激器引发的每个下行运动信号发生在所述电刺激引发的对应的逆行冲动信号之前Nms，N的取值范围是2至5。
优选地，所述侦测装置基于侦测所述外周目标神经的信号波形，至少获得逆行冲动信号的触发时间。
优选地，所述侦测装置基于侦测所述中枢神经的信号波形，至少获得下行运动信号的触发时间。
优选地，所述外周目标神经传导时间为外周目标电刺激所诱发的上肢伸肌运动迟发反应的潜伏期。
优选地，所述中枢运动传递时间为经颅磁刺激所诱发的运动诱发电位的潜伏期。
优选地，所述第一刺激器是电刺激器，所述电刺激器包括植入电极和/或透过皮肤施加刺激的电极。
优选地，所述第二刺激器是经颅磁刺激器，所述磁刺激线圈是作用于经颅磁刺激的锥形或圆形或8字形线圈。
本发明的目的在于提供一种神经调控系统，能够通过匹配刺激外周目标神经和刺激大脑运动中枢的时间周期，实现改善大脑运动皮层对特定脊髓运动神经元的控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是用户使用本发明的神经调控系统的示意图。
图2是本发明的神经调控系统的原理图。
图3是本发明前期对于脑卒中患者上肢伸展功能的疗效验证数据对比图。
图4是本发明前期对于脑卒中患者上肢示指伸肌及肘肌运动诱发电位MEP的影响数据对比图。
附图标记
1第一刺激器
2侦测装置
3第二刺激器
4控制器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本申请所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本申请中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
在本申请的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了明确说明本申请，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
图1是用户使用本发明的神经调控系统的示意图。如图1所示，本发明的神经调控系统，包括：第一刺激器1、侦测装置2、第二刺激器3以及控制器4。其中，第一刺激器1具有至少一电极，第一刺激器1被配置成对外周目标神经施加电刺激。侦测装置2与第一刺激器1共同设置于同一肢体，以检测基于电刺激产生的外周目标神经传导时间。第二刺激器3具有至少一磁刺激线圈，第二刺激器3被配置为对中枢神经施加磁刺激，侦测装置检测基于磁刺激产生的中枢运动传递时间。控制器4获得述中枢运动传递时间与外周目标神经传导时间的时间差值，根据时间差值调控第一刺激器1的电刺激与第二刺激器3的磁刺激之间的时间差，令第一刺激器1引发的第一反馈在时序上领先第二刺激器3引发的第二反馈的时长等于时间差值。本实施例中，侦测装置2与第一刺激器1可以共同设置于被测试者的同一条手臂或是同一条腿上，以便针对性进行检测，但不以此为限。本发明提出了一种可特异性改善脑卒中患者上肢伸展功能的神经调控技术。该技术基于目前临床脊髓损伤中所应用的PCMS技术，并将其外周神经电刺激靶点更换为支配上肢伸肌肌群的“桡神经”。此外，为了更好改善脑卒中患者偏瘫上肢的伸展功能，同时避免臂丛超强刺激所引起的剧烈疼痛，本发明将“桡神经”的刺激位点定位于上肢肱骨桡神经沟处，从而可特异性改善脑卒中患者偏瘫上肢的伸腕及伸指功能。由于目前特异性改善脑卒中患者上肢伸展功能的治疗方法缺乏，而桡神经特异性的PCMS技术有望使得很大一部分脑卒中偏瘫患者从中获益。
在一个优选实施例中，第二刺激器3和控制器4被设置于检测对象的头部，第一刺激器1被设置于检测对象的上臂，侦测装置2被设置于检测对象的前臂，但不以此为限。
在一个优选实施例中，控制器4分别通过线缆有线连接或通过通讯模块无线连接第一刺激器1、侦测装置2以及第二刺激器3，双相传输数据和控制指令，但不以此为限。
在一个优选实施例中，第一刺激器1被配置成重复地施加电刺激，第二刺激器3被配置成重复地施加磁刺激，且第二刺激器3引发的每个下行运动信号发生在电刺激引发的对应的逆行冲动信号之前Nms，N的取值范围是2至5，但不以此为限。
在一个优选实施例中，侦测装置2基于侦测外周目标神经的信号波形，至少获得逆行冲动信号的触发时间，但不以此为限。
在一个优选实施例中，侦测装置基于侦测中枢神经的信号波形，至少获得下行运动信号的触发时间，但不以此为限。
在一个优选实施例中，外周目标神经传导时间为外周目标电刺激所诱发的上肢伸肌运动迟发反应的潜伏期，其中，F波(F wave)是运动迟发反应，它出现在复合肌肉动作电位之后，但不以此为限。在上肢腕部刺激正中神经和尺神经，F波出现的潜伏期常为25～32ms。在下肢踝部刺激腓神经和胫神经，F反应出现的潜伏期为45～56ms。F反应起源于逆向传导的动作电位，后者传导至前角细胞并使其出现后发放电位，此动作电位沿着神经传导，再经过刺激点到达肌肉。F反应实际上是小的CMAP，代表了所检神经支配肌纤维的1～5％水平。F反应传入与传出通路均为纯运动纤维，其中没有突触传递，不能算真正的反射。每个F波在潜伏期、形态及波幅上会有所差异，因为每磁刺激会兴奋不同数量的前角细胞。其中最短潜伏期反应直径最大及最快速传导运动纤维。数个指标用于评估F反应，以最短潜伏期F波潜伏期最为常用。F波出现率是在一定数量刺激后出现F波的数量。正常F波出现率为80～100％，应始终在50％以上。F波离散性是用于评估F波最小和最大潜伏期差异的指标。F波离散性在上肢为4ms以内，下肢为6ms以内。F反应可在任何神经引出。但其中腓神经是唯一的例外，即使正常人也很难在腓神经引出F反应。应注意病人在睡眠或镇静时F反应可消失。
在一个优选实施例中，中枢运动传递时间为经颅磁刺激所诱发的运动诱发电位的潜伏期，但不以此为限。经颅磁刺激技术(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种无痛、无创的绿色治疗方法，磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经，实际应用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激。经颅磁刺激(rTMS)具有连续可调重复刺激，在临床精神病、神经疾病及康复领域获得越来越多的认可。它主要通过不同的频率来达到治疗目的，高频(>1Hz)主要是兴奋的作用，低频(≤1Hz)则是抑制的作用。
在一个优选实施例中，第一刺激器1是电刺激器，电刺激器包括植入电极和/或透过皮肤施加刺激的电极，但不以此为限。
在一个优选实施例中，第二刺激器3是经颅磁刺激器，磁刺激线圈是作用于经颅磁刺激的锥形或圆形或8字形线圈，但不以此为限。
在一个优选实施例中，外周目标神经核团是桡神经，但不以此为限。
在一个优选实施例中，N等于3，但不以此为限。
本实施例中，第一刺激器1为植入电极，第二刺激器3是经颅磁刺激的TMS锥形线圈，植入电极被配置成对外周目标神经核团重复地施加电刺激。侦测装置2检测基于电刺激产生的外周目标神经核团传导时间。TMS锥形线圈具有至少一磁刺激线圈，TMS锥形线圈被配置为对中枢神经重复地施加磁刺激。并且，侦测装置检测基于磁刺激产生的中枢运动传递时间。控制器分别连接植入电极、侦测装置2以及TMS锥形线圈，双相传输数据和控制指令，控制器4获得述中枢运动传递时间与外周目标神经核团传导时间的时间差值，根据时间差值至少调控TMS锥形线圈，令植入电极引发的第一反馈在时序上领先TMS锥形线圈引发的第二反馈的时长等于时间差值。TMS锥形线圈引发的每个下行运动信号发生在植入电极(电刺激)引发的对应的逆行冲动信号之前3ms，本实施例中将支配上肢伸肌肌群的“桡神经”作为外周电刺激的靶点，替换目前临床PCMS技术中所应用的“正中神经/胫神经”，则有可能通过特异性调控脊髓伸肌运动神经元水平的突触重塑，从而达到特异性改善脑卒中患者上肢伸展运动功能的目的。
继续参考图1，本发明提出了一种可特异性改善脑卒中患者偏瘫上肢伸展功能的神经调控技术(桡神经特异性PCMS技术)。本实施例中，第二刺激器3和控制器4被佩戴于检测对象的头部，第一刺激器1被佩戴于检测对象的上臂，侦测装置2被佩戴于检测对象的前臂。本发明主要由经颅磁刺激线圈(第二刺激器3)、患侧桡神经电刺激器(第一刺激器1)组成。首先，通过侦测装置2分别采集电刺激器的第一反馈和颅磁刺激线圈的第二反馈，利用桡神经特异性PCMS技术通过计算中枢运动传导时间(经颅磁刺激所诱发的运动诱发电位MEP的潜伏期)与桡神经传导时间(桡神经电刺激所诱发的上肢伸肌F波的潜伏期)的差值。然后，确保经颅磁刺激所引发的下行运动信号，在桡神经电刺激所引发的逆行冲动信号之前3ms，优先激活支配上肢伸展运动的脊髓前角神经元，从而诱导产生脉冲时间依赖性可塑(Spike Timing-Dependent Plasticity，STDP)的突触重塑，如附图2所示。本发明前期已检验了桡神经特异性PCMS对于改善脑卒中患者偏瘫上肢伸肘、伸腕及伸指功能的影响。桡神经特异性PCMS可显著提高脑卒中患者偏瘫上肢伸肘、伸腕及伸指功能，如附图3、4所示。图4中A为示指伸肌，B为肘肌。本发明已检验了桡神经特异性PCMS对于脑卒中患者偏瘫上肢示指伸肌及肘肌运动诱发电位MEP的影响。桡神经特异性PCMS可显著提高脑卒中患者偏瘫上肢示指伸肌及肘肌运动诱发电位MEP的波幅。
综上，本发明提供了一种神经调控系统，能够通过匹配刺激外周目标神经和刺激大脑运动中枢的时间周期，实现改善大脑运动皮层对特定脊髓运动神经元的控制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种神经调控系统，其特征在于，包括：
第一刺激器(1)，具有至少一电极，所述第一刺激器(1)被配置成对外周目标神经施加电刺激；
侦测装置(2)，与所述第一刺激器(1)共同设置于同一肢体，以检测基于所述电刺激产生的外周目标神经传导时间；
第二刺激器(3)，具有至少一磁刺激线圈，所述第二刺激器(3)被配置为对中枢神经施加磁刺激，所述侦测装置检测基于所述磁刺激产生的中枢运动传递时间；以及
控制器(4)，获得所述中枢运动传递时间与外周目标神经传导时间的时间差值，根据所述时间差值调控所述第一刺激器(1)的电刺激与第二刺激器(3)的磁刺激之间的时间差，令所述第一刺激器(1)引发的第一反馈在时序上领先所述第二刺激器(3)引发的第二反馈的时长等于所述时间差值。
2.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述第二刺激器(3)和控制器(4)被设置于检测对象的头部，所述第一刺激器(1)被设置于检测对象的上臂，侦测装置(2)被设置于检测对象的前臂。
3.如权利要求2所述的神经调控系统，其特征在于，所述控制器(4)分别通过线缆有线连接或通过通讯模块无线连接所述第一刺激器(1)、侦测装置(2)以及第二刺激器(3)。
4.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述第一刺激器(1)被配置成重复地施加电刺激，所述第二刺激器(3)被配置成重复地施加磁刺激，且所述第二刺激器(3)引发的每个下行运动信号发生在所述电刺激引发的对应的逆行冲动信号之前Nms，N的取值范围是2至5。
5.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述侦测装置(2)基于侦测所述外周目标神经的信号波形，至少获得逆行冲动信号的触发时间。
6.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述侦测装置基于侦测所述中枢神经的信号波形，至少获得下行运动信号的触发时间。
7.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述外周目标神经传导时间为外周目标电刺激所诱发的上肢伸肌运动迟发反应的潜伏期。
8.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述中枢运动传递时间为经颅磁刺激所诱发的运动诱发电位的潜伏期。
9.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述第一刺激器(1)是电刺激器，所述电刺激器包括植入电极和/或透过皮肤施加刺激的电极。
10.如权利要求1所述的神经调控系统，其特征在于，所述第二刺激器(3)是经颅磁刺激器，所述磁刺激线圈是作用于经颅磁刺激的锥形或圆形或8字形线圈。
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