鏡像運動神經調製系統的製作方法

2023-05-14 06:16:11 1

專利名稱：鏡像運動神經調製系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及神經康復技術領域，尤其涉及一種用於腦卒中及中樞神經損傷後偏癱患者康復治療的鏡像運動神經調製系統。
背景技術：
中樞神經系統病變常常引起人體運動功能障礙，最常見的是偏側肢體癱瘓，極大的影響患者的工作和生活，而且給家庭和社會也帶來了沉重的負擔。傳統的醫療康復手段主要是靠針灸、按摩、體療以及理療被動治療，其治療方法和治療效果有限。近年來隨著神經科學和臨床康復醫學的科研與發展，先後提出一些新的神經生理學理論和神經功能障礙的神經運動療法，比如神經損傷的再生、重建、功能補償理論、運動再學習理論、功能性電刺激(FES)、生物反饋治療，強制性運動療法、運動想像療法、 動作觀察療法、經顱磁刺激療法、機器人輔助治療等新的治療方法，以及最近利用視覺反饋，看鏡子健側運動的的鏡像運動療法。這些治療往往只利用了部分神經運動機理促進康復，療效並不理想。神經控制運動是感覺、運動驅動、情緒、記憶多功能、多種神經反饋迴路共同調節的結果，因此要增加神經康復要儘量調動更多的神經元參與。鏡像神經元是近十幾年來神經科學研究的新發現，1996年首先發現猴類看見動作時就有放電活動做出模仿動作的鏡像神經，1998年應用磁共振和經顱磁刺激技術又發現人腦多部位同樣也有鏡像神經元系統。研究證明鏡像神經系統是運動觀察、想像、模仿、學習和神經功能重建的神經生理基礎。經顱直流電刺激(tDCS)是一種古老而又重新認識、重新發現的新的電療方法。用無創微弱電流，以電場極化的作用方式調節大腦神經細胞膜電位的靜息水平，影響神經細胞的局部電位，改變興奮閾值，正極刺激能使神經興奮性增加，負極刺激抑制神經功能。用負極刺激健側大腦、正極刺激患側大腦可以直接興奮患側大腦、抑制健側皮質對患側的抑制。

發明內容
本發明的主要目的是提供一種以鏡像運動神經調製為主的康復治療系統，旨在利用更多的運動協助機制實現大腦功能調控與重建，促進神經突觸的可塑性及神經功能的康復，提高中樞性偏癱患者的治療效果。為了達到上述目的，本發明提出一種鏡像運動神經調製系統，包括若干導聯的生物信號放大器，用於米集健側肢體活動時的表面肌電信號的信息；微電腦控制器，用於對所述表面肌電信號進行處理，形成模擬積分的動態肌電包絡狀指令信號；若干導聯的功能性電刺激器，用於根據所述健側肢體模擬積分的動態肌電包絡狀指令信號，以等比例運動的鏡像電流刺激對側患側肢體產生相似的同步收縮的鏡像運動。優選地，所述若干導聯的生物信號放大器具有檢測電極，所述檢測電極貼在患者健側肢體的相應肌肉部位；所述若干導聯的功能性電刺激器具有刺激電極，所述刺激電極貼在患者患側肢體的對應肌肉部位。優選地，該系統還包括處理器，連接在所述生物信號放大器與微電腦控制器之間，用於對所述表面肌電信號進行AD轉換、放大、整流、濾波與積分電路處理。優選地，所述微電腦控制器對所述表面肌電信號進行處理的方式包括AD轉換、數字濾波以及小波分析處理。 優選地，該系統還包括微電流直流恆流刺激器，與所述微電腦控制器連接，其正極連接患側肢體的皮子代表區的頭部位置，負極連接健側相對應的頭顱表面，用於在外周肢體產生鏡像運動時，頭部的微電流直流電刺激協同刺激大腦皮子神經元，調節和增加患側大腦的興奮性，共同促進受損皮質功能的恢復。優選地，所述微電流直流恆流刺激器選用的是高壓運算放大器與恆流源電路。優選地，所述微電流直流恆流刺激器的刺激電流小於5mA。優選地，所述微電腦控制器還用於延時觸發所述功能性電刺激器，使患側肢體肌肉刺激時間同步延時，產生健側肢體與患側肢體的相位交替運動。優選地，所述生物信號放大器為低噪高阻抗儀表放大器；所述微電腦控制器選用的是ARM系列單片機。優選地，所述表面肌電信號的信息至少包括以下之一肌電信號的幅度、波形、活動時間、間歇時間、各肌群之間的活動時序。本發明提出的一種鏡像運動神經調製系統，綜合應用FES、tDCS技術和鏡像運動神經元參與運動控制的原理，利用生物信號放大器、模擬肌電積分包絡信號控制的功能性電刺激器、微電流直流恆流刺激器在微電腦控制器的整合下，集成一體，利用健側肢體進行功能性活動的若干肌群的肌電信號，經過放大、整流、濾波、採樣和數學處理，產生若干功能活動肌群的肌電活動包絡信號，並以此調製和控制若干導聯的功能性電刺激，使對側患病肢體的若干肌群根據健側肌電的活動強度、強度變化、收縮時間、間歇時間、活動時序產生同樣的鏡像動作，不用鏡子，患者可以親眼看到並感覺到雙側肢體的同步鏡像活動或功能性鏡像活動，充分調動患者鏡像神經、感覺神經、運動神經以及運動意念、運動反饋等中樞神經、外周神經等反射弧，實現大腦功能調控與重建，促進神經突觸的可塑性，促進神經功能的康復，從而達到運動康復的治療效果。


圖I是本發明鏡像運動神經調製系統較佳實施例的結構框圖；圖2是本發明鏡像運動神經調製系統的工作過程示意圖。為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。
具體實施例方式應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。鏡像神經元系統被發現已有十多年歷史。當人類見到一種新的行為，效仿這種行為活動時，大腦運動前區一組特殊細胞有放電現象，故名為鏡像神經元，不論是自己做出動作，還是看到別人做出同樣的動作，鏡像神經元都會被激活，它的功能是用以幫助人類運動學習，模擬仿製，是運動神經網絡重建的重要解剖生理學基礎，也是理解他人行為的基礎。目前發現鏡像神經元在大腦的分布廣泛，運動前區皮質、頂葉、顳葉和島葉均可見到大量鏡像神經元。此外還有一類鏡像神經元，在觀察新動作、行為、語言、臉部表情和身體姿勢時激活。另一類鏡像神經元則在當人們企圖去認識剛才觀察到後的意念時激活。當人們主動進行認識、模仿、學習的意念增強時鏡像神經元激活，當皮質興奮性提高時，鏡像神經的活動可使肢體的運動功能改善。鏡像療法也是一種新的運動康復治療方法例如把鏡子以一定的角度置於兩側肢體中間，病變肢體在鏡子反面看不見，令患者注視鏡內的健側肢體，令患者兩側肢體同時鏡像活動，由於患側肢體始終被鏡子遮蓋，患者見到病變肢體在鏡內能夠活動自如，是一種病人主動參與的無創性神經學習重建方法，對腦卒中及中樞神經損傷後偏癱患者的康復治療有效。tDCS也是一門重新認識的新技術，兩者結合一起使用可加強治療效果。
本發明正是基於上述原理，採用雙側主動運動和健側幫助患側鏡像運動並輔助經顱直流電刺激的思路，充分利用多種神經運動調製機制，把主動運動、動作觀察、鏡像運動、想像運動、生物反饋運動、雙側運動體感反射、功能性電刺激，經顱直流調製技術集為一體，是一種全新的神經康復綜合治療技術。本發明充分調動患者鏡像神經、感覺神經、運動神經以及運動意念、運動體感反饋等中樞神經、外周神經等反射弧、微直流對大腦皮質功能調製，實現患側大腦調製與重建，促進神經突觸的可塑性，促進神經功能的康復，從而達到運動康復的治療效果。具體地，如圖I所示，本發明較佳實施例提出一種鏡像運動神經調製系統，主要用於治療中樞性偏癱病人的康復訓練與治療，該鏡像運動神經調製系統包括若干導聯的生物信號放大器I、微電腦控制器2、若干導聯的功能性電刺激器3,其中生物信號放大器I的輸入端具有檢測電極11，功能性電刺激器3的輸入端具有刺激電極31，若干導聯的生物信號放大器I的輸入端的檢測電極11以及若干導聯的功能性電刺激器3的刺激電極31，以片狀的形式分別貼在健側(測量肌電)、患側一一對應的肌群體表部位，即生物信號放大器I的檢測電極11貼在患者健側肢體的相應肌肉部位，功能性電刺激器3的刺激電極31貼在患者患側肢體的對應肌肉部位。生物信號放大器I用於米集健側肢體活動時的表面肌電信號的信息，該表面肌電信號的信息包括肌電信號的幅度、波形、活動時間、間歇時間、各肌群之間的活動時序等。微電腦控制器2用於對所述表面肌電信號進行處理，形成模擬積分的動態肌電包絡狀指令信號；所述微電腦控制器2對所述表面肌電信號進行處理的方式包括AD轉換、數字濾波以及小波分析處理等。若干導聯的功能性電刺激器3用於根據所述模擬積分的動態肌電包絡狀指令信號，以等比例鏡像電流刺激健側肢體對側的患側肢體產生等比例同步收縮的鏡像運動。通過等比例鏡像電流刺激對側鏡像肌肉產生等比例同步收縮，在患側肌肉收縮時，既產生了真正的鏡像運動，又使患側肌肉得到了功能鍛鍊，使肌肉內的肌腱、肌梭等本體感覺傳感器興奮，參與感覺運動神經迴路的反饋調節與反射弧的重建，更好的促進患側運動神經功能的康復。
為了更好的對表面肌電信號進行處理，本實施例鏡像運動神經調製系統進一步還包括處理器4，該處理器4連接在所述生物信號放大器I與微電腦控制器2之間，用於對所述表面肌電信號進行AD轉換、放大、整流、濾波與積分電路處理。生物信號放大器I採集健側肢體肌肉表面的肌電信號的幅度、波形、活動時間、間歇時間、各肌群之間的活動時序等信息。之後將所收集的信息經過處理器4放大、濾波處理，慮除與信號無關的頻率，經過整流和積分電路，把信號經AD轉換，在微電腦控制器2內採用小波分析等數學處理方法，形成與健側肌肉活動一致的模擬積分網絡信號，用這種信號作為控制指令信號，調控相應通道的功能性電刺激器3的輸出，使患側肢體產生同步鏡像運動。此外，為了協同刺激大腦皮子神經元，本實施例鏡像運動神經調製系統進一步還包括微電流直流恆流刺激器5，該微電流直流恆流刺激器5與所述微電腦控制器2連接，微電流直流恆流刺激器5的正極連接患側肢體的皮質代表區的頭部位置，增加患側大腦的興奮性和血流量，負極連接健側相對應的頭顱表面，抑制健側半球對患側的抑制。用於在外周肢體產生鏡像運動時，頭部的微電流直流電刺激協同刺激大腦皮子神經元，調節和增加患 側大腦的興奮性，共同促進受損皮質功能的恢復。因為，雙側大腦對運動功能的控制是相互協調和交互抑制的，在單側大腦大腦運動功能損傷後，患側皮質對健側大腦的抑制消失，而健側運動皮質對患側運動皮質的抑制作用增強，不利於患側大腦受損神經的恢復正常興奮功能，因此需要用微電流調控雙側大腦皮質的興奮性，用負極電流抑制健側大腦對患側的抑制，增強患側大腦皮質的興奮性，與鏡像運動治療有協同和增加療效的作用。本實施例上述微電流直流恆流刺激器5選用的是高壓運算放大器與恆流源電路，該儀器具有經顱微直流電刺激的功能。所述微電流直流恆流刺激器5的刺激電流小於5mA。所述生物信號放大器I可以採用低噪高阻抗儀表放大器，該儀器具有各種生物電信號檢測功能，可以檢測心電、腦電與肌電圖信號。所述微電腦控制器2選用的是ARM系列單片機，該儀器具有快速、高精度的數學運算功能。上述微處理器4與微電腦控制器2可以採用模擬積分電流刺激器，該模擬積分電流刺激器選用的是運算放大器，經過高頻二極體整理、數字濾波、微電腦小波分析，經過峰值檢測和平滑處理，得到實時同步的表面肌電信號。該儀器具有肌電檢測、分析與肌電包絡信號提取功能。本實施例由多導聯生物放大器採集健側肢體功能運動時多塊肌肉的肌電生物信號、通過整流濾波和計算機處理成為模擬積分肌電包絡信號，作為刺激對側若干相應肌肉鏡像運動的指令信號，調製多導聯功能性電刺激帶動患側肢體相應肌肉的鏡像運動，由於健側皮質運動神經可產生對患側大腦運動區的交互抑制，用微電流直流恆流刺激器5的正電極刺激患側大腦，負電極置於健側大腦運動區的頭皮部位，降低健側大腦對患側大腦的抑制，提高患側大腦神經興奮性。本技術模擬人體學習運動時大腦鏡像神經元活動機制，激發鏡像神經元活動，讓病人主動參與，調動雙側大腦同時活動，是一種無創性神經主動學習重建技術，有助於患者受損神經功能重建與康復。下面結合圖2對本實施例的工作原理詳細闡述如下
使用時，把檢測電極11和刺激電極31分別貼在病人的健側和患側對應肌肉位置，當患者運動健側肢體時，生物放大器輸入端的檢測電極11片收集健側肢體肌肉表面肌電信號的信息，經放大、整流、濾波與積分電路的處理，再經過微電腦控制器2自身的AD轉換、數字濾波和小波分析等數學處理，產生健側肌群在功能活動時的積分包絡肌電信號，調製用於患側肢體的功能性電刺激器3的輸出，用以產生患側肢體的鏡像運動。同時用微電流直流恆流刺激器5輸出5mA以下的微電流，用正極刺激患側大腦頭部運動區，負極刺激健側大腦相應運動區。在外周肢體產生鏡像運動時，頭部的微電流直流電刺激協同刺激大腦皮子神經元，調節和增加患側大腦的興奮性，共同促進受損皮質功能的回覆。此外，微電腦控制器2還可以延時觸發所述功能性電刺激器3，使患側肢體肌肉刺激時間同步延時，產生健側肢體與患側肢體的相位交替運動。具體地，本發明可以利用健側神經肌肉的功能性電生理活動，控制對側患病肌肉 發生同步鏡像運動，也可以通過延時觸發，按健側各個通道的信號時序非同步刺激患側作為功能性鎖時異步協調活動，模擬雙側肢體交互抑制、輪流收縮，如同走路上肢、下肢輪流交替動作，完成行走功能。本發明實施例鏡像運動神經調製系統，綜合應用FES、tDCS技術和鏡像運動神經元參與運動控制的原理，利用生物信號放大器I、模擬肌電積分包絡信號控制的功能性電刺激器3、微電流直流恆流刺激器5在微電腦控制器2的整合下，集成一體，利用健側肢體進行功能性活動的若干肌群的肌電信號，經過放大、整流、濾波、採樣和數學處理，產生若干功能活動肌群的肌電活動包絡信號，並以此調製和控制若干導聯的功能性電刺激，使對側患病肢體的若干肌群根據健側肌電的活動強度、強度變化、收縮時間、間歇時間、活動時序產生同樣的鏡像動作，不用鏡子，患者可以親眼看到並感覺到雙側肢體的同步鏡像活動或功能性鏡像活動，充分激活與調動患者鏡像神經、感覺神經、運動神經以及運動驅動意念、運動反饋等中樞神經、外周神經反射弧，參與實現大腦功能調控與重建，促進神經突觸的可塑性，促進神經功能的康復，從而達到運動康復的治療效果。本發明作為一種新型的運動療法的創新設備，簡單、易學、易做、高效、安全，給神經運動康復增加了一種新的治療方法。同時本發明還可以通過電腦控制編程，使患側肌肉刺激時間同步延時、產生健側與患側肢體的相位交替運動、交互抑制運動、鏡像運動、協調的同步運動和異步運動。以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，包括 若干導聯的生物信號放大器，用於採集健側肢體活動時的表面肌電信號的信息； 微電腦控制器，用於對所述表面肌電信號進行處理，形成模擬積分的動態肌電包絡狀指令信號； 若干導聯的功能性電刺激器，用於根據所述模擬積分的動態肌電包絡狀指令信號，以等比例鏡像電流刺激健側肢體對側的患側肢體產生等比例同步收縮的鏡像運動。
2.根據權利要求I所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述若干導聯的生物信號放大器具有檢測電極，所述檢測電極貼在患者健側肢體的相應肌肉部位；所述若干導聯的功能性電刺激器具有刺激電極，所述刺激電極貼在患者患側肢體的對應肌肉部位。
3.根據權利要求2所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，還包括處理器，連接在所述生物信號放大器與微電腦控制器之間，用於對所述表面肌電信號進行AD轉換、放大、整流、濾波與積分電路處理。
4.根據權利要求3所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述微電腦控制器對所述表面肌電信號進行處理的方式包括AD轉換、數字濾波以及小波分析處理。
5.根據權利要求4所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，還包括微電流直流恆流刺激器，與所述微電腦控制器連接，其正極連接患側肢體的皮子代表區的頭部位置，負極連接健側相對應的頭顱表面，用於在外周肢體產生鏡像運動時，頭部的微電流直流電刺激協同刺激大腦皮子神經元，調節和增加患側大腦的興奮性，共同促進受損皮質功能的恢復。
6.根據權利要求5所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述微電流直流恆流刺激器選用的是高壓運算放大器與恆流源電路。
7.根據權利要求6所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述微電流直流恆流刺激器的刺激電流小於5mA。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述微電腦控制器還用於延時觸發所述功能性電刺激器，使患側肢體肌肉刺激時間同步延時，產生健側肢體與患側肢體的相位交替運動。
9.根據權利要求8所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述生物信號放大器為低噪高阻抗儀表放大器；所述微電腦控制器選用的是ARM系列單片機。
10.根據權利要求I所述的鏡像運動神經調製系統，其特徵在於，所述表面肌電信號的信息至少包括以下之一肌電信號的幅度、波形、活動時間、間歇時間、各肌群之間的活動時序。
全文摘要
本發明公開一種鏡像運動神經調製系統，包括若干導聯的生物信號放大器、微電腦控制器、若干導聯的功能性電刺激器及微電流直流恆流刺激器。本發明綜合應用功能性電刺激、經顱直流電刺激技術和鏡像運動神經元參與運動控制的原理，利用生物信號放大器、模擬肌電積分包絡信號控制的功能性電刺激器、微電流直流恆流刺激器在微電腦控制器的整合下，利用健側肢體進行功能性活動的若干肌群的肌電信號，經過處理產生肌電活動包絡信號，並以此調製和控制若干導聯的功能性電刺激，使對側患病肢體的若干肌群根據健側肌電信息產生同樣的鏡像動作，實現大腦功能調控與重建，促進神經突觸的可塑性及神經功能的康復，達到運動康復的治療效果。
文檔編號A61N1/36GK102886102SQ201210361260
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者楊亦錚 申請人:深圳英智科技有限公司