基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于穴位刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制的方法，采用體表探測電極陣列采集健康肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)的體表肌電信號，經(jīng)由信號處理電路對采集到的體表肌電信號進(jìn)行放大和濾波等信號處理后，通過通信信道傳輸給激勵(lì)信號生成電路生成刺激信號，最后將所述刺激信號施加到刺入癱瘓肢體指定穴位的針狀或同心圓刺激電極陣列上，最終實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明采用電針刺激方式，將體表刺激改變?yōu)榻?jīng)絡(luò)穴位上的體內(nèi)刺激，繼承并發(fā)展了針刺療法，具有選擇性好和靈敏度高的特點(diǎn)，可用于因脊髓損傷、腦卒中和各類傷病造成的癱瘓病人肢體動(dòng)作控制等場合。
【專利說明】基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)和電子科學(xué)的交叉領(lǐng)域，涉及一種癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法，尤其涉及一種基于穴位刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，針刺一直應(yīng)用于癱瘓肢體功能康復(fù)。主要用手法針刺，通過提、拉、捻、轉(zhuǎn)等手法，以確定時(shí)間的療程來達(dá)到肢體康復(fù)的效果。從上世紀(jì)50年代開始，人們引入了電針技術(shù)作為對手針方法的補(bǔ)充，形成了一系列電針儀，并廣泛應(yīng)用于臨床。
[0003]以電針為例，它是通過人工設(shè)計(jì)的電脈沖序列(具有不同頻率、幅度、解調(diào)方式的電脈沖)來對刺入特定穴位的針灸針進(jìn)行激勵(lì)?，F(xiàn)場的效果是人們可看到電針周圍肌肉的顫動(dòng)，無法看到肢體和諧動(dòng)作的效果。
[0004]發(fā)明人十年以來研究與神經(jīng)信號再生和功能重建的微電子神經(jīng)橋，形成了通過橋接中斷的神經(jīng)通道來實(shí)現(xiàn)肢體神經(jīng)功能再生的目標(biāo)。在ZL 200510135541.6的發(fā)明專利中，提出了“微電子系統(tǒng)輔助神經(jīng)信道功能恢復(fù)方法及其裝置”，用于受損脊髓神經(jīng)的信道橋接、信號再生和功能重建。這種方法的特點(diǎn)是以微電子方法去恢復(fù)受損神經(jīng)束或神經(jīng)纖維的功能，其缺點(diǎn)是需要手術(shù)將微電子系統(tǒng)植入體內(nèi)，對身體有創(chuàng)傷。
[0005]近五年來，發(fā)明人進(jìn)一步將“微電子神經(jīng)橋”發(fā)明專利思想擴(kuò)展為神經(jīng)到肌肉與肌肉到肌肉的應(yīng)用場景，形成了“微電子肌電橋”的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)功能重建方法與裝置。在專利號為201210342507.6的專利中，公開了一種“基于肌電信號通信機(jī)理的癱瘓肢體功能重建方法及其裝置”，該裝置利用體表電極采集健康肢體的體表肌電信號，通過放大與處理，將其施加到貼于癱瘓肢體的體表電極，實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體在健康肢體帶動(dòng)下的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體功能重建的現(xiàn)場效果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，無論是采集信號還是施加刺激信號都是無創(chuàng)傷的，但缺點(diǎn)是貼`在體表的大面積刺激電極的選擇性差、靈敏度低(通常需要20V以上的電壓才可能刺激癱瘓肢體產(chǎn)生動(dòng)作)，難以控制癱瘓肢體產(chǎn)生精細(xì)動(dòng)作。
[0006]在ZL 201010120386.1發(fā)明專利中，提出了“神經(jīng)信號探測/激勵(lì)的電極、雙電極、電極及制備方法”。它以臨床常用的不銹鋼針作為神經(jīng)信號探測和激勵(lì)的電極，但在針尖以上、針柄以下的針體上涂有絕緣層，在針尖覆蓋有一層生物相容性貴金屬鍍層或?qū)щ姼叻肿渝儗?，從而?shí)現(xiàn)了該針狀電極具有針體絕緣和針尖導(dǎo)電的特性，為神經(jīng)信號探測和激勵(lì)提供了一種在提高抗干擾能力和選擇性的同時(shí)降低閾值的神經(jīng)信號探測/激勵(lì)電極、雙電極、電極。在ZL 201110065475.5發(fā)明專利中，提出了“一種用于體內(nèi)經(jīng)絡(luò)信號傳遞特性測試的同心圓電極”，此同心圓電極尖端呈錐狀，在進(jìn)行信號激勵(lì)與探測時(shí)，無方向性，并且電極內(nèi)芯導(dǎo)電部分露出面積小，電極的選擇性高，可以有效屏蔽外界信號干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明提供了一種操作方便、對肢體損傷小，選擇性好，靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)作控制的基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法。[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明的基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法，將體表探測電極固定于健康肢體體表，將刺激電極刺入癱瘓肢體指定位點(diǎn)，并逐漸增加刺激電極的深度，使刺激電極的針尖部位到達(dá)特定的位點(diǎn)，然后接通信號源，采用體表探測電極在健康肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)采集得到的體表肌電信號，經(jīng)信號處理電路放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過通信信道傳輸給激勵(lì)信號生成電路，生成刺激信號，最后將刺激信號施加到刺激電極上，對肢體指定位點(diǎn)進(jìn)行功能電刺激，實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)。
[0009]本發(fā)明方法中，刺激電極為針狀電極或具有圓錐體狀針尖的同心圓電極，刺激電極的針尖導(dǎo)電，針體絕緣。
[0010]本發(fā)明方法中，肢體指定位點(diǎn)為能在刺激電壓下使肢體產(chǎn)生功能性動(dòng)作的位點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明方法中，體表探測電極和刺激電極的固定位置根據(jù)癱瘓肢體所需產(chǎn)生的動(dòng)作進(jìn)行確定。
[0012]本發(fā)明方法所采用的基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制裝置，由體表探測電極、信號處理電路、通信信道、激勵(lì)信號生成電路和針狀或同心圓刺激電極順序連接而成，該裝置可實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)作控制模式:實(shí)時(shí)動(dòng)作控制模式和離線動(dòng)作控制模式。
[0013]上述裝置中，刺激電極采用在發(fā)明專利申請201010120386.1中提出的針狀電極或發(fā)明專利申請201110065475.5中提出的同心圓電極。
[0014]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
目前，電針技術(shù)作為對手針針刺方法的補(bǔ)充，已廣泛應(yīng)用于臨床，它是通過人工設(shè)計(jì)的電脈沖序列(具有不同頻率、幅度、解調(diào)方式的電脈沖)來對刺入特定穴位的針灸針進(jìn)行激勵(lì)，其現(xiàn)場的效果是可以看到電針周圍肌肉的顫動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)肢體和諧動(dòng)作的效果。本發(fā)明方法以電針技術(shù)為依托，以健康肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)的體表肌電信號為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)生成用于肢體運(yùn)動(dòng)控制的刺激信號，并實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體在健康肢體帶動(dòng)下產(chǎn)生和諧動(dòng)作的效果。而且相比于人工設(shè)計(jì)的電脈沖序列，本刺激信號包含了肌電信號的時(shí)序、空間以及活化程度的強(qiáng)弱關(guān)系，以此為基礎(chǔ)的刺激信號在實(shí)現(xiàn)肢體動(dòng)作的自由度及和諧度方面都將比人工設(shè)計(jì)的電脈沖序列有很大的提高。本發(fā)明方法結(jié)合了傳統(tǒng)的中國針灸技術(shù)與現(xiàn)代的功能電刺激技術(shù)，會(huì)更有效地對癱瘓肢體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。[0015]目前，功能電刺激技術(shù)采用的多為體表刺激電極，使用體表刺激電極的優(yōu)點(diǎn)是無創(chuàng)性，但是其缺點(diǎn)是由于大面積的體表電極的貼附，其選擇性差、靈敏度低(通常需要20V以上的電壓才能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng))。雖然植入式刺激電極刺激神經(jīng)的選擇性好，靈敏度高，但電極需要手術(shù)加以植入，使得植入式功能電刺激的應(yīng)用范圍大大受限。本發(fā)明方法采用的針狀電極，其針尖部分導(dǎo)電，針體部分絕緣，使電極體與生物組織實(shí)現(xiàn)了電隔離，能夠精確激勵(lì)生物體內(nèi)需要激勵(lì)的部位，提高了電極的選擇性。本發(fā)明方法采用的同心圓電極，其針尖部分呈圓錐體狀結(jié)構(gòu)，在作為刺激電極使用時(shí)，電極尖端的電場作用區(qū)域各向同性，避免了因電極尖端相對位相改變而導(dǎo)致的信號幅度的變化。本同心圓電極以其電極導(dǎo)電套筒作為參考底線，電極內(nèi)芯與參考底線距離較近，能夠準(zhǔn)確定位，且針尖部分的電極內(nèi)芯露出絕緣套筒的長度在0.25毫米以下，電極暴露面積適中，電極選擇性高。因此本發(fā)明方法具有高選擇性，高靈敏度，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)作的特性，同時(shí)是一種微創(chuàng)的方法，易于應(yīng)用。針狀電極針體上涂有絕緣層，且針尖上覆蓋有生物相容性鍍層，提高了電極的選擇性和抗干擾能力。同心圓電極尖端呈圓錐體狀，無方向性，電極內(nèi)芯導(dǎo)電部分露出的面積小，電極選擇性高。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明方法中采用的神經(jīng)信號探測/激勵(lì)針狀電極的結(jié)構(gòu)半剖面圖。
[0017]圖2是圖1中的神經(jīng)信號探測/激勵(lì)針狀電極的針體部分A-A剖面視圖。
[0018]圖3是圖1中的神經(jīng)信號探測/激勵(lì)針狀電極的針尖部分的B-B剖面視圖。
[0019]圖4是本發(fā)明方法中采用的同心圓電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明方法中采用的同心圓電極尖端的縱向剖視圖。
[0021]圖6是本發(fā)明方法中采用癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制裝置的原理示意圖。
[0022]圖中有:1、針體，2、針尖，3、針柄，4、聚酰亞胺與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料絕緣層，5、羥基磷灰石絕緣層，6、生物相容貴金屬鍍層，7、聚吡咯導(dǎo)電高分子鍍層，8、電極接口，9、電極針體，10、電極尖端，11、電極內(nèi)芯，12、絕緣套筒，13、電極導(dǎo)電套筒。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0024]參看圖6， 對于實(shí)時(shí)控制模式，首先對肢體所需產(chǎn)生動(dòng)作的刺激位點(diǎn)進(jìn)行確定，找到在最小刺激電壓下使肢體產(chǎn)生所需功能性動(dòng)作的位點(diǎn)，然后以此位點(diǎn)為中心，將體表探測電極固定在健康肢體上，將圖1所示的針狀刺激電極或圖4所示的同心圓刺激電極刺入癱瘓肢體最靈敏位點(diǎn)處，接通信號源，以體表探測電極采集健康肢體運(yùn)動(dòng)(如屈腕運(yùn)動(dòng))時(shí)體表肌電信號，并送入信號處理電路。信號處理電路將采集到的體表肌電信號經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后以有線或無線的數(shù)據(jù)通信方式由通信信道傳輸給激勵(lì)信號生成電路。激勵(lì)信號生成電路通過激勵(lì)波形生成算法生成刺激信號，并將功率放大后的刺激信號實(shí)時(shí)施加于圖1所示的針狀刺激電極或圖4所示的同心圓刺激電極上，結(jié)合具有微創(chuàng)特性的中國針灸技術(shù)，特別是電針技術(shù)，將生成的刺激信號施加到刺入癱瘓肢體指定位點(diǎn)的針狀或同心圓刺激電極上，使癱瘓肢體肌肉收縮，產(chǎn)生與健康肢體相同的動(dòng)作，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制模式下的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場效果。
[0025]對于離線控制模式，所不同的是，信號處理電路分別將采集到的不同動(dòng)作產(chǎn)生的體表肌電信號經(jīng)由通信信道傳輸至激勵(lì)信號生成電路中的微處理器控制電路后，將生成的刺激信號送入激勵(lì)信號存儲(chǔ)與播放電路中進(jìn)行分類儲(chǔ)存。在后續(xù)應(yīng)用時(shí)，根據(jù)訓(xùn)練動(dòng)作需要，再調(diào)用激勵(lì)信號存儲(chǔ)與播放電路中的相應(yīng)動(dòng)作刺激信號，施加于圖1所示的針狀刺激電極或圖4所示的同心圓刺激電極上，使癱瘓肢體肌肉收縮并產(chǎn)生與健康肢體相同的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)離線控制模式下的癱瘓肢體的和諧運(yùn)動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，該方法將體表探測電極固定于健康肢體體表，將刺激電極刺入癱瘓肢體指定位點(diǎn)，并逐漸增加刺激電極的深度，使所述刺激電極的針尖部位到達(dá)特定的位點(diǎn)，然后接通信號源，采用體表探測電極在健康肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)采集得到的體表肌電信號，經(jīng)信號處理電路放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過通信信道傳輸給激勵(lì)信號生成電路，生成刺激信號，最后將所述刺激信號施加到刺激電極上，對肢體指定位點(diǎn)進(jìn)行功能電刺激，實(shí)現(xiàn)癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，所述刺激電極為針狀電極或具有圓錐體狀針尖的同心圓電極，刺激電極的針尖導(dǎo)電，針體絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，所述肢體指定位點(diǎn)為能在刺激電壓下使肢體產(chǎn)生功能性動(dòng)作的位點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，所述體表探測電極 和刺激電極的固定位置根據(jù)癱瘓肢體所需產(chǎn)生的動(dòng)作進(jìn)行確定。
【文檔編號】A61N1/36GK103768713SQ201410034849
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】呂曉迎, 王志功, 王蘇陽, 徐建, 吳明明 申請人:東南大學(xué)