CN201404216Y - 一种神经网络重建装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种神经网络重建装置；包括肌电信号检测电路、人体刺激控制电路、人体刺激信号发生电路、肌电信号采集电极和激励电极，所述装置还包括一个电信号隔离电路，该隔离电路将人体刺激信号发生电路的输出与肌电信号检测电路的输入隔离；所述肌电信号采集电极包括一对肌电电极和一个参考电极，人体刺激信号发生电路为恒定电流发生电路。本实用新型可以无需数字信号处理模块甚至无需微处理器即可检测出中风瘫痪病人瘫痪肢体的非常微弱的肌电信号，并能输出足够强度的电刺激来诱发肢体运动，且刺激强度不会随刺激电极之间的阻抗而变化，进而避免由于人体阻抗的变化引起刺激电流幅度变化不定而影响刺激的有效性和可能引起病人不适。

Description

一种神经网络重建装置

技术领域

本实用新型涉及一种神经网络重建装置；该装置用生物反馈的原理来帮助因中风而瘫痪的病人进行脑神经网络重建。

背景技术

肢体运动是由大脑某一区域控制的。控制肢体运动的脑组织发出信号，该信号经脊椎和周边神经传导到相应的神经肌肉接合处，引起相应肌肉的收缩或松弛，从而带动肢体运动。肢体运动时会产生肌电。正常肢体运动的肌电电位在毫伏级，可以用适当的皮肤表面电极和普通电子电路检测到。

肌肉的收缩亦可由外部电刺激诱发。当适当的电刺激通过皮肤表面电极施加到肢体肌肉群时，肌肉群收缩，可引起相应的肢体运动。电刺激的强度必须加以控制。太弱不足以产生运动。强则会引起病人不适甚至造成损伤。

中风病人大部份会因为控制肢体的脑组织受损而带有不同程度的肢体瘫痪。此时脊椎和周边神经并未受损，残留的控制肢体的脑组织仍能发出信号并经脊椎和周边神经传导到相应的神经肌肉接合处，但该信号会非常微弱，引起的肢体运动甚至难以用肉眼觉察；相应的肌电电位也因而只有微伏级，难以用普通电子电路检测到。

大脑具有重新学习的功能。当控制肢体的脑组织受损后，经过及时和一定时间(例如1-6个月)的康复训练，未受损的其它脑组织会逐渐学会受损脑组织的原功能来控制肢体运动；这种现象在医学上称脑神经网络重建。这种康复训练必须在中风后患者情况允许的条件下及时进行，否则受影响的肢体会因长时不运动而造成肌肉萎缩和永久瘫痪。训练还须不断坚持直到康复，否则容易退步。

用肌电触发的神经肌肉电刺激器来做这种中风康复训练已被证明是一种有效的方法。该种仪器因而又称(脑)神经网络重建装置。它用生物反馈的原理来帮助因中风而瘫痪的病人进行脑神经网络重建。仪器在瘫痪的肢体处用电极检测病人学习发出的微弱肌电电位，并将该电位与预设的阈值作比较。当病人努力使肌电电位达到预设的阈值时，作为给病人的一种反馈，仪器输出适当的电刺激帮助病人瘫痪的肢体运动一定的时间(数秒)。病人得到这一反馈(肢体运动)，认识到它用劲得当，下一次就会朝这方向努力，从而可能发出更高的肌电电位。随着学习的进步，病人发出的肌电电位越来越高，阈值就可相应地增高。通过不断的学习，受损肢体的运动能力越来越强，达到康复的目地。这种康复训练适用于动脉阻塞或血管爆裂型中风。患者一般须每天锻炼两次，坚持1-6个月。

神经网络重建装置必须能检测出瘫痪病人的非常微弱的肌电信号。它要求检测线路本身须有很低的噪声。同时还要求有很高的共模抑制比(CMRR)以排除外界噪声干扰，因为来自交流电网等的噪声电位比中风受损肢体所能发出的肌电电位会高很多。

公开号CN2768819的中国专利公开了“一种神经功能重建仪”。该专利的方案采用一个数字信号处理模块来达到这一目地。数字信号处理模块增加了仪器的开发成本和元器件成本，它也显著增加了仪器的耗电量。因为神经网络重建仪一般是由电池供电，仪器的低耗电量是一个重要的指标。该方案采用升压电路来处理幅度不同的电刺激信号，因此它输送到激励电极的电刺激是一种恒定电压刺激。电刺激强度是由流过神经肌肉的电流(而不是电压)幅度和时间决定的。两个刺激电极(阴极和阳极)之间的阻抗主要决定于电极本身的阻抗以及皮肤和神经肌肉的阻抗。这一阻抗通常是变化的。如果是恒定电压刺激，刺激电流与阻抗成反比。当神经网络重建装置设定一定的刺激电压时，如果阻抗大，则刺激电流幅度变小，可能不足以诱发肢体运动，或不能提供预期的反馈给病人。反之，如果阻抗小，则刺激电流幅度变大，可能引起病人不适。因此神经网络重建装置最好用恒定电流刺激而不是恒定电压刺激。

公开号为CN2899831的中国专利公开了“一种脑神经网络重建装置”。该专利的技术方案采用分立元器件(T1和T2三极管以及相应电阻)构成信号采集器的第一级差分放大器.由于分立元器件的精度限制，T1和T2三极管以及相应电阻的配对一般很难达到要求，不容易实现高CMRR，因此排除外界噪声干扰的能力较差。该专利的治疗信号放大器对治疗信号进行电压放大，其治疗电流随负载(刺激电极)之间的阻抗而变化。另外，由于信号采集器与治疗信号放大器之间没有隔离，治疗信号除了通过治疗电极(D，E，和F)外，亦会通过信号采集电极(A，B，和C)。这将分散治疗信号的能量，不仅刺激治疗电极处的神经肌肉，也刺激信号采集电极处的神经肌肉。肌电信号采集器一般是弱电电路，其供电电压和元器件的耐压都比较低。如果肌电信号采集器与治疗信号放大器之间没有隔离，当治疗信号的电压高于信号采集器供电电压和元器件的耐压时，信号采集器就会损坏。因此，该专利的技术方案难以提供足够强度的电刺激来诱发肢体运动。

而且，目前市场上常见的神经网络重建装置通常只在医院或诊所应用。患者出院后一般须每天来医院进行这种康复训练。这对中风瘫痪的病人尤其不变。许多病人因而不能坚持训练，影响康复。因此有必要研制一种适合于在家里使用的神经网络重建装置，该装置并能通过电话网或互联网与异地的医护人员通讯，实现远程医疗。

发明内容

本实用新型的目的是为克服上述公开专利的不足而建立的一种神经网络重建装置。该装置采用一对肌电电极和一个参考电极实现对肌电信号的采集，在检测电路增加参考电极驱动电路，动态改变参考点位从而进一步提高检测电路的共模抑制比，实现从伴随的电网噪声和其它噪声中检测出微弱的肌电信号的目的；该装置采用刺激强度不会随刺激电极之间的阻抗变化而变化的恒流源激励以提高刺激的有效性并减少病人的不适；该装置通过增加数字接口和网络连接以实现远程医疗。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种神经网络重建装置，包括肌电信号检测电路、人体刺激控制电路、人体刺激信号发生电路、肌电信号采集电极和激励电极，肌电信号检测电路连接人体刺激控制电路，人体刺激控制电路连接人体刺激信号发生电路，肌电信号采集电极连接肌电信号检测电路，激励电极连接人体刺激信号发生电路；其特征在于，所述装置还包括一个电信号隔离电路，该隔离电路在肌电信号检测电路和人体刺激信号发生电路之间，将人体刺激信号发生电路的输出与肌电信号检测电路的输入隔离；所述肌电信号采集电极包括一对肌电电极和一个参考电极，所述人体刺激信号发生电路为恒定电流发生电路。

所述神经网络重建装置还包括显示电路和显示器，显示电路连接人体刺激控制电路。

所述的神经网络重建装置还包括本地计算机或通讯中继装置和远程计算机，所述人体刺激控制电路含有微处理器和与微处理器相联的串行口或无线通讯模块，微处理器通过串行口或无线通讯模块连接本地计算机或通讯中继装置，本地计算机或通讯中继装置通过电话网或互联网与远程计算机连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型可以无需数字信号处理模块甚至无需微处理器即可检测出中风瘫痪病人瘫痪肢体的非常微弱的肌电信号，并能输出足够强度的电刺激来诱发肢体运动，且刺激强度不会随刺激电极之间的阻抗而变化，进而避免由于人体阻抗的变化引起刺激电流幅度变化不定而影响刺激的有效性和可能引起病人不适；

抗干扰能力强，造价便宜，适合医疗机构和家庭使用；

本实用新型实现了在家庭或没有相应医务人员的医疗机构使用时，病人还可通过网络得到医护人员的指导，进一步促进病人的康复。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为将隔离电路设置在肌电信号检测电路和人体刺激控制电路之间的本实用新型结构示意图；

图3为将隔离电路设置在人体刺激控制电路和刺激信号发生电路之间的本实用新型结构示意图；

图4为带有参考电极驱动电路的肌电信号检测电路结构示意图；

图5为人体刺激控制电路结构示意图；

图6为阈值控制电路结构示意图；

图7为在恒定电流发生电路和激励电极之间接有转换开关结构示意图；

图8为双恒定电流发生电路结构示意图；

图9为肌电信号采集电极和激励电极功能互换的控制电路结构示意图；

图10为可进行远程控制的本实用新型结构示意图。

具体实施方式

实施例1，

本实施例为本实用新型的一种神经网络重建装置，参见图1，图2、图3和图4；该装置包括肌电信号采集电极，该肌电信号采集电极包括一对肌电电极1、2和一个参考电极3；包括一对激励电极4和5；包括肌电信号检测电路6、人体刺激控制电路7、和人体刺激信号发生电路，为避免由于人体阻抗的变化引起刺激电流幅度变化不定而影响刺激的有效性和可能引起病人不适，人体刺激信号发生电路采用的是恒定电流脉冲发生电路8，即采用恒定脉冲电流刺激而不是恒定脉冲电压刺激；如图1所示肌电信号检测电路连接人体刺激控制电路，人体刺激控制电路连接恒定电流脉冲发生电路，肌电信号采集电极连接肌电信号检测电路，激励电极连接恒定电流脉冲发生电路；所述装置还包括一个电信号隔离电路10，该隔离电路在肌电信号检测电路和人体刺激信号发生电路之间将人体刺激信号发生电路的输出与肌电信号检测电路的输入隔离，该隔离电路保证恒定电流发生电路输出的激励脉冲只流过两个激励电极，而不会从肌电信号采集电极以及参考电极流回到肌电信号检测电路。隔离电路可处于肌电信号检测电路内，或人体刺激控制电路内，或恒定电流发生电路内，或是之间的任何一个环节；例如，如图2所示在肌电信号检测电路和刺激控制电路之间，或如图3所示在人体刺激控制电路和恒定电流脉冲发生电路之间；该神经网络重建装置还包括一个为上述电路提供电源的电源电路9。

本实施例中所述的隔离电路采用的是目前广泛使用的光电耦合隔离电路或隔离变压器电路将肌电信号或其它所需信号进行隔离传送。

本实施例中所述的肌电信号检测电路，参见图4，包括肌电信号前级放大器6-1以及与之相连接的后级放大滤波电路6-2，并且还包括连接前级放大器的参考电极驱动电路6-3；参考电极可以是恒定电位，它也可以是由参考电极驱动电路驱动从而进一步提高检测电路的共模抑制比。参考电极驱动电路类似于目前使用的心电图测试仪中的心电采集电路中常用的参考电极驱动电路，它的输入信号是由肌电信号前级放大器检测到的共模噪声，它的输出信号是与共模噪声的强度成正比但极性相反，该输出信号送到参考电极，可有效抵消共模噪声；如果电极电缆有屏蔽层，该输出信号也可送到肌电信号采集电缆的屏蔽层。

本实施例中所述的人体刺激控制电路，参见图5，包括一个模拟信号比较器7-1、阈值控制电路7-2、一个振荡电路7-3和一个刺激信号幅度控制电路7-4；阈值控制电路连接模拟信号比较器，模拟信号比较器连接振荡电路，振荡电路和刺激信号幅度控制电路输出连接至下一级控制恒定电流发生电路。

人体刺激控制电路的工作原理是：参见图5，模拟信号比较器将肌电信号检测电路检测到的肌电信号与阈值控制电路设定的阈值作比较，当肌电信号幅度大于阈值时，比较器输出逻辑1，当肌电信号幅度小于阈值时，比较器输出逻辑0；震荡电路控制刺激时间以及刺激信号的重复频率和脉冲宽度，震荡电路有两种状态：可触发状态和不可触发状态；当震荡电路处于可触发状态时，如果比较器输出逻辑1，则触发震荡电路输出刺激控制信号，如果比较器不输出逻辑1，则震荡电路不输出刺激控制信号；刺激控制信号持续一段时间后停止，震荡电路进入不可触发状态，此时震荡电路不能被比较器的输出所触发；不可触发状态持续一段时间后，震荡电路回到可触发状态，如此反复；刺激信号的幅度由刺激信号幅度控制电路控制。阈值控制电路可以用模拟或数字电位器实现，由用户手动调节阈值。参见图6，数字电位器是由UP/DOWN计数脉冲调节的，用数字电位器实现的阈值控制电路也可自动调节阈值；当比较器输出逻辑1的时间越多，则计数器7-2-1输出的脉冲个数就相应增多，从而自动提高电位器7-2-3的输出电平亦即提高阈值。反之，当比较器在一定的时间内没有输出逻辑1，则定时器7-2-2就输出脉冲来自动减少电位器的输出电平亦即减少阈值；带记忆功能的数字电位器(例如DALLAS半导体公司的DS1809数字电位器)还可在开机时自动恢复上次设定的阈值。类似地，刺激信号幅度控制电路也可以用模拟或数字电位器实现。刺激信号幅度控制电路还可根据阈值控制电路的输出来自动调节刺激信号的幅度；例如，当阈值高，则刺激信号的幅度也相应增高，反之亦然；该方案无须微处理器。

本实用新型所述的神经网络重建装置还包括显示电路和显示器，显示电路连接人体刺激控制电路；显示电路和显示器用于显示所需数据，显示器可以是液晶显示器。如液晶显示器尺寸小或数位少，每次只能显示一种数据，则可按需自动显示不同数据：例如在调节刺激幅度时仪器自动显示所设刺激幅度，在调节肌电信号的阈值时仪器自动显示所设肌电阈值，除此以外则显示检测到的肌电信号幅度；显示器也可以是LED数码管，或是模拟电压/电流表，或是一排发光二极管。例如，当肌电信号幅度大，则发光二极管通电的个数多，反之则少。

实施例2，

参见实施例1，本实施例为人体刺激控制电路采用微处理器控制的实施例，该人体刺激控制电路包括一个模数转换器和与之相连接的微处理器或是一个含有模数转换的微处理器，目前市场上有多种含有模数转换，处理功能非常强的的微处理器；该微处理器可以实现实施例1所述人体刺激控制电路的部分或全部功能，直接输出控制信号至下一级控制恒定电流发生电路。

实施例3，

参见图7、图8和实施例1，在所述恒定电流发生电路和激励电极之间接有转换开关11，如图7所示用转换开关实现恒定电流发生电路对两个激励电极阴极和阳极进行切换连接，可切换恒流刺激脉冲的极性；或者恒定电流发生电路为两个，如图8所示两个恒定电流发生电路的输出与所述激励电极交叉连接，也可切换恒流刺激脉冲的极性；例如，当要产生一对极性相反的宽度为200微秒的刺激脉冲时，先让第一个恒定电流发生电路工作而第二个恒定电流发生电路关闭，此时电流从电极4流向电极5，过200微秒后第一个恒定电流发生电路关闭而第二个恒定电流发生电路工作，此时电流从电极5流向电极4，再过200微秒后两个恒定电流发生电路都关闭，电流停止。

实施例4，

参见图9和实施例1，为了简化操作步骤和减少电极数量，所述两个信号采集电极(1和2)和两个激励电极(4和5)合并为一对电极，所述一对电极连接一个双通道转换开关12，双通道转换开关分别连接肌电信号检测电路和恒定电流发生电路，双通道转换开关控制连接人体刺激控制电路；开关方向由人体刺激控制电路控制；本实施例中的双通道转换开关12为双通道单刀双掷继电器；当要采集肌电信号时，两个电极连接到肌电信号检测电路，当要输出刺激时，两个电极联接到恒定电流发生电路。如果最大刺激幅度小于肌电信号检测电路所能承受的最大电压，则无须继电器也可共享两个电极。

实施例5，

参见图10和实施例2，所述的神经网络重建装置还包括本地计算机13(如PC或PDA)和远程计算机15，所述人体刺激控制电路包含一个与所述微处理器相联的串行口或无线通讯模块，无线通讯模块采用蓝牙技术(BLUETOOTH)，所述微处理器通过串行口或无线通讯模块连接本地计算机，本地计算机通过电话网或互联网14与远程计算机连接。微处理器将肌电信号检测电路的输出信息处理后传至本地计算机，本地计算机分析显示传来的数据信息，并可传回指令到微处理器对肌电阈值和电刺激时间幅度等参数进行控制；本地计算机还可以通过电话网或互联网与远程计算机相互传递指令和数据；这样，异地的计算机就可分析显示本地计算机传来的数据，并经过本地计算机来与用户通讯和对肌电阈值和电刺激时间幅度等参数进行控制，实现远程医疗。

所述本地计算机13可以用一个专用的通讯中继装置来代替；该通讯中继装置通过电话网或互联网14与远程计算机15相互传递指令和数据，实现远程医疗。

本实用新型的工作过程是：肌电信号检测电路通过肌电信号采集电极从伴随的电网噪声和其它噪声中检测出采集电极处人体的微弱肌电信号；该肌电信号与设定的阈值相比较；当肌电信号达到或超过设定的阈值时，刺激控制电路就触发产生刺激控制信号，该刺激控制信号控制恒定电流发生电路输出相应的恒定电流脉冲经激励电极到达靶神经肌肉。

本技术方案提出的全部或部分电路，除本地计算机和远程计算机外，可以制成一个集成电路芯片，进一步降低装置的体积和成本。

本技术方案提出的肌电信号采集电极和激励电极，可以是分立的多个电极，也可以是包含了多个电极的集成电极。

Claims (10)

1.一种神经网络重建装置，包括肌电信号检测电路、人体刺激控制电路、人体刺激信号发生电路、肌电信号采集电极和激励电极，肌电信号检测电路连接人体刺激控制电路，人体刺激控制电路连接人体刺激信号发生电路，肌电信号采集电极连接肌电信号检测电路，激励电极连接人体刺激信号发生电路；其特征在于，所述装置还包括一个电信号隔离电路，该隔离电路在肌电信号检测电路和人体刺激信号发生电路之间将人体刺激信号发生电路的输出与肌电信号检测电路的输入隔离；所述肌电信号采集电极包括一对肌电电极和一个参考电极，所述人体刺激信号发生电路为恒定电流发生电路。

2.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述肌电信号检测电路包括肌电信号前级放大器以及与之相连接的后级放大滤波电路，还包括连接前级放大器的参考电极驱动电路；所述参考电极驱动电路输入信号是由肌电信号前级放大器检测到的共模噪声，它的输出信号是与共模噪声的强度成正比但极性相反，该输出信号送到所述参考电极或送到肌电信号采集电缆的屏蔽层。

3.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述人体刺激控制电路，包括一个模拟信号比较器、阈值控制电路、一个振荡电路和一个刺激信号幅度控制电路；阈值控制电路连接模拟信号比较器，模拟信号比较器连接振荡电路，振荡电路和刺激信号幅度控制电路输出连接至下一级控制恒定电流发生电路。

4.根据权利要求3所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述阈值控制电路是数字电位器。

5.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述人体刺激控制电路是一个模数转换器和与之相连接的微处理器或是一个含有模数转换的微处理器。

6.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述恒定电流发生电路和所述激励电极之间接有转换开关，转换开关实现恒定电流发生电路对两个激励电极阴极和阳极进行切换连接。

7.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述恒定电流发生电路为两个，两个恒定电流发生电路的输出与所述激励电极交叉连接。

8.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述两个信号采集电极和所述两个激励电极合并为一对电极，所述一对电极连接一个双通道转换开关，双通道转换开关分别连接所述肌电信号检测电路和所述恒定电流发生电路，双通道转换开关控制连接人体刺激控制电路。

9.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述神经网络重建装置还包括显示电路和显示器，显示电路连接人体刺激控制电路。

10.根据权利要求1所述的一种神经网络重建装置，其特征在于，所述的神经网络重建装置还包括本地计算机或通讯中继装置和远程计算机，所述人体刺激控制电路包含一个微处理器和与微处理器相联的串行口或无线通讯模块，所述微处理器通过串行口或无线通讯模块连接本地计算机或通讯中继装置，本地计算机或通讯中继装置通过电话网或互联网与远程计算机连接。

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