CN1180744C

CN1180744C - 人体神经阈值的检测系统

Info

Publication number: CN1180744C
Application number: CNB021383529A
Authority: CN
Inventors: 汤黎明; 常本康; 刘铁兵; 吴敏
Original assignee: Nanjing General Hospital of Nanjing Command PLA; Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing General Hospital of Nanjing Command PLA; Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2002-09-28
Filing date: 2002-09-28
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: CN1401294A

Abstract

本发明涉及一种用于绘制神经阈值图谱及在临床医学中进行应用的人体神经阈值的检测系统，它由神经阈值刺激仪、数字式肌电图机和后续制图数据处理计算机组成，神经阈值刺激仪向脑神经纤维束输出刺激电信号，数字式肌电图机的电极设置在该脑神经支配的人体对应运动肌上，检测该肌肉受神经支配所产生的肌电信号，并反馈到神经阈值刺激仪，以使神经阈值刺激仪记录下此刻所输出的刺激电信号的相关参数，最后送入制图数据处理计算机绘出人脑神经阈值图谱。本发明系统的建立将为诊断治疗神经功能障碍性疾病开辟一条新路，更为其功能恢复性治疗提供定量标准。

Description

人体神经阈值的检测系统

技术领域

本发明涉及一种用于绘制神经阈值图谱及在临床医学中进行应用的人体神经阈值的检测系统。

背景技术

现代脑科学研究表明：行为是脑的主要功能之一，人类的一些本能行为，人的一切行为活动必须由大脑进行支配，是人活动的出发点和收缩点，譬如手足的位置移动，耳、鼻、喉、舌、眼的感觉作用，皮肤接受来自外界的冷热等等无一不是听命于大脑对其“发号施令”。

更进一步研究表明，像饮水、摄食、排泄、性行为等，往往受到某些特定脑区神经组织的支配和调节，与某些神经递质、神经内分泌激素水平有密切关系。而一系列目的性行为的启动，实施和调节，更有赖于前额叶的结构完整和功能正常。脑神经系统尤如一张纵横交错，此间相互独立又相互联系网，正常情况时互不联系，但无不发出“指令”——电信号，然这些“指令”并不足以使感觉肌肉收缩、展弛产生动作，反映出人类的“静态”。而当来自由于外界信息或其它思维网络区域要求某一部分需要产生动作时，神经网络中的某一部分神经分支会产生运动趋于集中，此时各神经元发出的“指令”会由于重合叠加产生足以促使肌肉进行动作的“指令”。肌肉进行收缩、张弛动作当动作未达到目的时，神经元会进一步重合叠加产生强于前次“指令”，重复过程。当达到指令所要求时，神经网络又会恢复到原始态。从工程学角度定义这种“指令”就是神经元产生的电信号，神经网络的集中“指令”的重合叠加就是电信号的串联并联组合效应。问题在于当由于外部原因(脑外伤、颅内肿瘤等)使正常的网络系统受到移位、损害，网络系统就不会像原先均匀分布，互不影响状态。神经元细胞产生了非正常的重合、叠加和无法产生“指令”。其外部表现患者的不由自主的颤抖、肌肉僵紧，无法产生动作，想动而动不了。临床医生和药理人员为此进行了大量的研究工作，通过药物对神经元细胞恢复作了大量的实践，取得了一定的疗效。然而由于神经细胞组织特殊特性有些药物作用是事而非；有些药物还会产生极大的副作用。

在神经外科手术治疗癫痫的过程中，一般通过记录患者的脑电图，在脑电图中寻找“棘波”以对癫痫灶进行定位，然后根据定位结果行外科手术，取得了满意的效果。但人们并不知道神经元细胞对电信号的刺激发生反应的阈值水平，没有测定也不需要测定。

随着生活水平的提高，人们对生活质量的要求也越来越高。而在现实生活中，因脑组织退行性病变、脑外伤、脑血管意外、神经外科术后等脑部神经组织病变而致的神经—肌肉性疾病的发病率也随着生活水平的提高而呈上升势头，这些疾病又严重影响着人们的生活质量。在诊断治疗这些神经—肌肉性疾病过程中，发现可以通过神经电极以具有一定波形(方波、正弦波等)、频率、幅度、占空比等的电信号对大脑皮层不同功能区的神经元细胞进行刺激，以使其支配的相应的肌肉产生收缩(舒张)动作，从而达到治疗疾病的目的。针对不同的大脑皮层神经元细胞对电信号刺激发生反应的敏感水平不同，不同性质的电信号对大脑皮层神经元细胞刺激所产生的治疗效果也有显著差异，这就需要并且必须测定获得神经元细胞对电信号刺激发生反应的敏感水平的定量标准，即神经阈值水平。将不同大脑皮层功能区的神经元细胞的阈值水平以及同一功能区神经元细胞所接受的刺激与所产生的治疗效果绘制成图，即神经阈值图谱。神经阈值图谱的绘制以及在临床医学中的应用，将为诊断治疗神经功能障碍性疾病开辟一条新路，更为其功能恢复性治疗提供定量标准。

通过检索和查新，该课题在国、内外还没有类似报道。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种人体神经阈值的检测系统，它的建立将为诊断治疗神经功能障碍性疾病开辟一条新路，更为其功能恢复性治疗提供定量标准。

本发明的技术解决方案：

一种人体神经阈值的检测系统，其特征在于它由神经阈值刺激仪、数字式肌电图机和后续制图数据处理计算机组成，其中神经阈值刺激仪由微处理器U1、显示控制器U2、精密函数发生器U3和功率放大器组成，该功率放大器由晶体管Q1、Q2、Q3，变压器T1，电阻R12-R16构成，它为一直流放大器，微处理器U1的输入输出口P0接显示控制器U2的输入端，显示控制器U2的输出接数码管D1-D6，微处理器U1的串行输出口RX、TX分别通过数模转换器U5、U6与精密函数发生器U3的频率控制输入端FADJ和占空比控制输入端DADJ相连，精密函数发生器U3的输出端通过多级串接的缓冲器U8-U12与功率放大器的输入端即电阻R12和R13的连接点相连，功率放大器的输出从变压器T1的次级引出接神经电极J1，神经阈值刺激仪向脑神经纤维束输出刺激电信号，数字式肌电图机的电极设置在该脑神经支配的人体对应运动肌上，检测该肌肉受神经支配所产生的肌电信号，并反馈到神经阈值刺激仪，以使神经阈值刺激仪记录下此刻所输出的刺激电信号的相关参数，最后送入制图数据处理计算机绘出人脑神经阈值图谱。

本发明根据在诊断治疗神经-肌肉性疾病过程中，可以通过神经电极以具有一定波形(方波、正弦波等)、频率、幅度、占空比等的电信号对大脑皮层不同功能区的神经元细胞进行刺激，以使其支配的相应的肌肉产生收缩(舒张)动作的原理，提出了人体神经阈值的检测方法及其检测系统，通过精确的以不同波形、频率、幅度、占空比的电信号对大脑皮层特定功能区域的刺激，根据其所支配肌肉的肌电图的表现，绘制出人体神经元细胞对电信号的敏感水平，以揭示神经元细胞对不同波型、频率、幅度、占空比的电信号的图谱，给人体神经功能治疗提供定量依据。本发明系统可以产生诊疗时所需用的不同频率、幅度、占空比的方波、正弦波、三角波、锯齿波等，具有幅度、占空比准确，频率稳定，各参数可以精确数字调节、实时数字显示等特点，其适用范围广，经动物实验、临床实用，效果良好。本发明的建立将为诊断治疗神经功能障碍性疾病开辟一条新路，更为其功能恢复性治疗提供定量标准。

本发明找到一条有效的途径对神经元细胞及网络传导进行更好的治疗、恢复，它根据神经元细胞的工程学特性，将“指令”看作是电信号产生，而电信号的大小就是信号幅度强弱，“指令”的重合、叠加就是电位源的串联、并联。运用电学工程原理通过事先测定电位源的阈值大小，以了解神经元细胞行为动作电信号的大小，并基于神经元细胞及其网络传导具有外源刺激恢复或替代功能，进行医学诊断治疗。成人中枢神经系统不论神经元或轴来都缺少有效的再生，虽然在周围神经系统可有轴来再生可以使轴来损害后某些功能恢复。由神经学原理揭示：脑组织对行为的控制是有分工，如图1、图2、图3所示。即神经网络对于人类行为的控制是明确的、各有目的、各有分工，而其电信号控制的大小也有其相对电位值。正因为此，本发明通过实验描绘出人类神经网络中各神经元电位值图谱，进而测定出各神经元控制的电位阈值。这样当神经元受到损伤时，产生不了电信号情况发生时，就可以根据神经学原理和神经恢复理论给其加以电信号刺激达到产生电信号控制肌肉收缩、张弛产生动作的目的。由于本发明提出了描绘阈值图谱，像脑电图一样它反映的是人类脑神经放电情况，并由此作为标准来判断神经及神经网络、神经功能正常与不正常，进行相对应的诊断、治疗。神经阈值图谱同样会对神经科学全局的神经活动基本过程的研究，如离子通道、信号转导，尤其对神经系统信息处理的规律性分析作出贡献。

附图说明

图1是脑神经及颈丛中肌电检查常用肌肉名称、功能及其神经支配表。

图2是臂丛中肌电检查常用肌肉名称、功能及其神经支配表。

图3是腰、骶丛中肌电检查常用肌肉名称、功能及其神经支配表。

图4是本发明系统的原理框图。

图5是本发明系统的神经阈值刺激仪电原理图。

具体实施方式

本发明的人体神经阈值的检测方法如下：

1、手术打开人颅骨；

2、向需要研究的脑神经施加刺激电信号；

3、在该脑神经所支配的人体肌肉部位，利用肌电图机检测该部位肌肉在支配它的脑神经受到刺激电信号刺激的作用下所产生的肌电信号；

4、根据肌电图机所描记的肌电信号，得到所要研究的脑神经受到刺激后所发生反应的阈电位水平以及刺激电信号的相关参数(波型如正弦波、方波等等、频率、占空比、电压幅度、电流强度等等)；

5、依此研究所有的脑神经，测量出所有脑神经的阈电位水平以及刺激电信号的相关参数，并将这些结果用图示的方式表达出来，即人脑神经阈值图谱。

上述刺激电信号的参数要求如下：

刺激电信号电压幅度(峰峰值)：0-130V；

刺激电信号电流强度(峰峰值)：0-50mA；

刺激电信号正向有效宽度：0.01mS-2000mS；

刺激电信号时间延迟：0-1000mS；

刺激电信号波型：正弦波、方波、三角波、锯齿波以及根据研究需要所编制的任意波。

本发明人体神经阈值的检测系统如图4，它由神经阈值刺激仪、数字式肌电图机(型号可为Keypaint-II)和后续制图数据处理计算机(如普通PC机)组成。神经阈值刺激仪向脑神经纤维束输出刺激电信号，数字式肌电图机的电极设置在该脑神经支配的人体对应运动肌上，检测该肌肉受神经支配所产生的肌电信号，并反馈到神经阈值刺激仪，以使神经阈值刺激仪记录下此刻所输出的刺激电信号的相关参数(波型如正弦波、方波等等、频率、占空比、电压幅度、电流强度等等)。

本发明检测系统的神经阈值刺激仪电原理图如图5所示，它由微处理器U1(型号可为AT89C52)、显示控制器U2(型号可为ICM7218)、精密函数发生器U3(型号可为MAX038)和功率放大器组成，其中功率放大器由晶体管Q1、Q2、Q3，变压器T1，电阻R12-R16构成，它为一典型的直流放大器，微处理器U1的输入输出口P0接显示控制器U2的输入端，显示控制器U2的输出接数码管D1-D6，微处理器U1的串行输出口RX、TX分别通过数模转换器U5、U6(型号均可为TLC5615)与精密函数发生器U3的频率控制输入端FADJ和占空比控制输入端DADJ相连，精密函数发生器U3的输出端通过多级串接的缓冲器U8-U12(型号均可为LF356)与功率放大器的输入端即电阻R12和R13的连接点相连，功率放大器的输出从变压器T1的次级引出接神经电极J1，它可为针状或钩状，用于接入所要测定的脑神经。

本发明系统中，微处理器U1具有三个定时/计数器，在设计中均用到，定时器0和定时器1用来测量信号的频率与占空比，定时器2用来刷新显示、扫描键盘、计时等。微处理器U1的串行口TXD、RXD(P11、P10)用作各数模转换器(D/A，TLC5615)的信号来源，TXD输出串行时钟SCLD，RXD输出串行数据DIN。频率控制数模转换器U5的片选脚接微处理器U1的P2.4(P25)脚，占空比控制数模转换器U6的片选脚接微处理器U1的P2.5(P26)脚，幅度控制数字电位器(X932)的片选脚接微处理器U1的P2.6(P27)脚。微处理器U1的P0口(P32-P39)用来与显示控制器U2进行数据交换。微处理器U1的P1口的P1.6、P1.7(P7、P8)分别接精密函数发生器U3的A0、A1脚，控制输出波形的类型，微处理器U1的P1口的P1.4、P1.5(P5、P6)分别接数字电位器(X9312)的UD、INC脚，控制数字电位器(X9312)的调整方向和是否调整，微处理器U1的P2口的P2.0-P2.3(P21-P24)分别接按钮开关，按钮开关另一端接地，用作输入键盘，分别输入波形选择、参数选择、数值加、数值减。

显示控制器U2的数码段驱动脚SEGA-G、DP分别与6个数码管的相应段脚相连，即所有的数码管段脚并联，显示控制器U2的DIG1-6分别与6个数码管的公共端相连。在扫描显示时，显示控制器U2先将所显示的内容(即SEGA-G和DP应该哪个段点亮)送到所有数码管的段脚，然后根据该内容应显示的位置(即哪个数码管该亮)，将DIG1-6某一个变为低电平，其它为高电平，于是对应的一个数码管该点亮的段(发光二极管)上获得电压而点亮，不该点亮的数码管与该点亮的数码管的不该点亮的段不能获得电压而不被点亮。

数码管D1-D6共用了6个绿色数码管，第一个用于显示目前的波形类型(1为正弦波，2为矩形波，3为三角波)，第二个用于显示当前参数类型(1为频率，2为波幅，3为占空比)，第三、第四个用来显示设定参数值(两位)，第五、第六个用来显示实测参数值(两位)。

精密函数发生器U3采用±5V模拟电源供电，分别加在V+和V-脚，其IN脚输入频率控制电流，这个电流由频率控制数模转换器U5产生的0-4V电压经电位器R4(20K)限流后获得，可以满足控制占空比15％-85％的需要；波型选择通过U3的A0、A1脚实现，A0、A1直接与微处理器U1的P1.6、P1.7脚相连 U3的COSC脚外接一10μF的电解电容，电容另一端接地(模拟地)；U3的FADJ脚通过一10K电阻接地(摸似地)。U3未用的SYNC、RFE、DV+脚必须悬空，其余接地(模拟地)。

原始信号在精密函数发生器U3中产生并由其P19脚输出，经缓冲器U8组成的电压跟随器缓冲(避免后级阻抗等的变化对精密函数发生器产生影响)，在U10进行电平转换，将原始的±1V信号转换为0-2V信号，然后在数字电位器U4衰减，再经U11组成的电压跟随器缓冲(避免后级阻抗等的变化对数字电位器产生影响)，由U12进行电平转换(抬高电平到0.6V左右，使其后三极管Q1、Q3能够导通)，在由Q1、Q2、Q3组成的功率放大器中进行功率放大，最后经输出变压器T1输出信号。

实施例(对脑性瘫痪病人行脊神经后根高选择性部分切断(SPR)各神经纤维束阈强度的探测)：

在对脑性瘫痪病人行脊神经后根高选择性部分切断(SPR)手术中对各神经纤维束阈强度的探测一般通过如下几个步骤完成：(1)确定神经纤维束敏感的刺激电信号的波型；(2)针对某种敏感的刺激电信号的波型，确定神经纤维束敏感的刺激电信号的频率；(3)针对某种敏感的刺激电信号的波型和频率，确定神经纤维束敏感的刺激电信号的幅度；(4)针对某种敏感的刺激电信号的波型、频率和幅度，确定神经纤维束敏感的刺激电信号的占空比；(5)根据上述(1)-(4)步骤，通过计算获得神经纤维束阈强度。注意到，这里获得的神经纤维束阈强度与刺激电信号的波型、频率相关，它是该神经纤维束的最低阈强度。

首先通过手术，显露脊神经后根并将每个后根分成粗细相近的小束(一般8-10束)后，用钩状输出电极J1钩住某一小束。打开神经阈值刺激仪，将其设置在自动扫描工作方式。(1)确定神经纤维束敏感的刺激电信号的波型。在该步骤中，神经阈值刺激仪将其输出电信号的占空比设定为50％，频率设定为25Hz，幅度固定在一个较小的值上(这个值根据经验确定，但它必须远小于该神经的阈电位值，这里取50mV)，然后自动顺序产生正弦波、方波、三角波、锯齿波以及自定义的任意波(根据需要，可产生任意波，也可以不产生任意波)，每种波产生10个完整周期的波形。几种波形依次发生完毕后，按一定的步长(这里步长取当前输出电信号幅度的10％)提高输出电信号的幅度，再次重复顺序产生正弦波、方波、三角波、锯齿波以及自定义的任意波(根据需要，可产生任意波，也可以不产生任意波)。在这个过程中，神经阈值刺激仪同时检测数字式肌电图机(型号可为Keypaint-II)反馈来的信号。当检测到出现肌电反应时，记录当前输出电信号的波型和幅度，对于脊神经后根的神经纤维束来说，敏感的刺激电信号为方波，此时记录到的幅度约10.55V；(2)确定脊神经后根的神经纤维束对方波电信号敏感之后，确定脊神经后根的神经纤维束敏感的刺激电信号的频率。在该步骤中，神经阈值刺激仪将其输出电信号的波型设定为方波，占空比设定为50％，频率设定为0.1Hz(这个值根据经验确定，当难以确定时，取神经阈值刺激仪能够产生的最低频率)，幅度暂固定在10.55V上。然后按0.1Hz的步长增加输出电信号的频率，同时在10.55V的基础上上下调整输出电信号的幅度。在这个过程中，神经阈值刺激仪同时检测数字式肌电图机反馈来的信号，当检测到出现肌电反应时，记录当前输出电信号的频率和幅度。在记录的一系列频率-幅度关系数据中，找出最低幅度所对应的频率，记录这个频率以及它对应的幅度。这时可以确定脊神经后根的神经纤维束敏感的电信号为方波，电信号的频率为25.3Hz，幅度为10.27V。(3)针对脊神经后根的神经纤维束敏感的刺激电信号的波型、频率和幅度，确定脊神经后根的神经纤维束敏感的刺激电信号的占空比。在该步骤中，神经阈值刺激仪将其输出电信号的波型设定为方波，频率设定为25.3Hz，占空比设定为10％(这个值根据经验确定，当难以确定时，取神经阈值刺激仪能够产生的最小占空比)，幅度暂固定在10.27V上。然后按1％的步长增加输出电信号的占空比，同时在10.27V的基础上上下调整输出电信号的幅度。在这个过程中，神经阈值刺激仪同时检测数字式肌电图机反馈来的信号，当检测到出现肌电反应时，记录当前输出电信号的占空比和幅度。在记录的一系列占空比-幅度关系数据中，找出最低幅度所对应的占空比，记录这个占空比以及它对应的幅度。至此可以确定脊神经后根的神经纤维束敏感的电信号的全部参数，即波型为方波，电信号的频率为25.3Hz，幅度为9.68V，占空比为27％。

完成测定一束脊神经后根神经纤维束的阈强度后，依据上述方法测另一束脊神经后根神经纤维束的阈强度，全部测完后根据计算将激发强度低的小束切去长2-4cm长一段，一般切除20％-50％。每个病人需测试约60-70个神经小束，需切断约占20％-50％。

Claims

1、一种人体神经阈值的检测系统，其特征在于它由神经阈值刺激仪、数字式肌电图机和后续制图数据处理计算机组成，其中神经阈值刺激仪由微处理器U1、显示控制器U2、精密函数发生器U3和功率放大器组成，该功率放大器由晶体管Q1、Q2、Q3，变压器T1，电阻R12-R16构成，它为一直流放大器，微处理器U1的输入输出P0接显示控制器U2的输入端，显示控制器U2的输出接数码管D1-D6，微处理器U1的串行输出口RX、TX分别通过数模转换器U5、U6与精密函数发生器U3的频率控制输入端FADJ和占空比控制输入端DADJ相连，精密函数发生器U3的输出端通过多级串接的缓冲器U8-U12与功率放大器的输入端即电阻R12和R13的连接点相连，功率放大器的输出从变压器T1的次级引出接神经电极J1，神经阈值刺激仪向脑神经纤维束输出刺激电信号，数字式肌电图机的电极设置在该脑神经支配的人体对应运动肌上，检测该肌肉受神经支配所产生的肌电信号，并反馈到神经阈值刺激仪，以使神经阈值刺激仪记录下此刻所输出的刺激电信号的相关参数，最后送入制图数据处理计算机绘出人脑神经阈值图谱。

2、按权利要求1所述的人体神经阈值的检测系统，其特征在于所述神经电极J1或为针状或为钩状，用于接入所要测定的脑神经。