专利名称：生物反馈系统和显示设备的制作方法
生物反馈系统和显示设备
本发明涉及生物反馈系统和在该生物反馈系统中使用的显示设备。本发明进一步涉及用于人或动物的生物反馈治疗的方法。
生物反馈是一种在康复机构、如神经疾病康复中使用的治疗方法。低于某个阈值的神经信号幅值不引起肌肉反应，例如，这是因为所提供的刺激不足以触发肌肉。尽管如此，为了向患者提供低于阈值神经信号的直观反馈，检测出该信号并使患者可识别出该信号。
在美国专利申请公开文本US 2003/0069514A1中公开了一种用于生物电信号的监视系统。生物电信号，即所谓的肌电图(electromyography, EMG)信号，在肌肉收缩过程中生成而且EMG信号的能量与肌肉张力成正比。该系统包括置于患者身上的检测电极阵列的矩阵和EMG放大器。关于生物反馈康复，已知系统的一个缺点是EMG活动的结果显示为数据，例如显示为在PC屏幕或测量设备的专用显示器上的数据。这些数字没有向患者传递在他身体中的哪里的神经活动是由例如他试图移动肢体造成的信息。
因此本发明的目的是提供一种更加有效地增强患者的神经信号
的质量的增强的生物反馈系统。
上述目的通过生物反馈系统和用于生物反馈治疗的方法来实现，其中生物反馈系统包括显示设备和传感器，所述传感器包括多个电极，所述传感器设置为附着于人或动物而所述显示设备可由所迷人或动物穿戴，其中神经信号可通过所述传感器来检测并且其中所述信号的空间分布可通过所述显示设备来可视表示。
用于康复治疗的生物反馈系统的优点是，检测出低于某个阈值的神经信号并且向所述患者可视示出。虽然所述刺激不足以触发例如肌肉反应，但是患者的大脑识别出其刺激的效果。带有生物反馈的重复练习有利地强制所迷神经信号并可能导致高于所述阈值的信号幅值。根据本发明的系统传递包括其空间分布在内的神经信号的可视信息，即患者能够看见神经活动发生在哪里，可视信息有利地与患者的意愿相匹配。
此处的患者可能是指人或也可能是动物，但是主要关注于人类。传感器包括多个电极，其中电极是指任何适合于检测在人或动物身体内或身体上的要测量的任何物理或化学量(如电压、电流、温度、
电导率、无机物含量或信息素含量(pheromonal content ))的检测元件。根据本发明，神经信号可由传感器检测。本申请中所称的神经信号是指任何在人或动物身体内或身体上可测的物理信号。优选地，可由所述电极检测的神经信号是诸如肌电图(EMG)信号、脑波图信号、或心电图信号之类的生物电信号。
在本发明的优选实施例中，电极是EMG电极。所述EMG信号与肌肉张力成正比。利于本发明的生物反馈系统可视化EMG信号有利地增强了康复过程，例如在后中风康复中的康复过程。
本发明的系统进一步优选地包括处理元件，神经信号的来源位置和/或幅值可由所述处理元件分析出。来自所述传感器的检测出的神经信号送给优选包括有微处理器的处理元件。有利的是，从每个电极产生的信号是可以分辨的，以使得不仅可分析出信号强度或幅值，而且也可分析出所检测出的神经信号在多个电极上的图案。
虽然所述处理元件可以是外部设备，例如是通过连接线或如无线电通信之类的无线连接而连接到系统的个人电脑或笔记本电脑，但是所述处理元件优选为布置于显示设备内或显示设备处。所述处理元件有利地集成于所述系统中。本发明的优点在于，包括处理元件、传感器和显示设备的系统可由患者穿戴，即患者类似于穿戴一件衣物似的穿戴本发明的系统。优选地，本发明系统不包括任何连接到外部设备的连接线。
优选地，介于电极之间的神经信号的幅值由处理元件进行插值。有利地是对所分析出的神经信号的幅值和/或来源位置进行平滑。可有利地减少电极的数量。
传感器的多个电极分别设置于患者身体内或身体处是可能的。但是，优选的是传感器的多个电极设置为阵列结构，即电极相互之间的结构是预先设定的。成阵列的电极的应用较不复杂，这样就有利地避免错误和/或减少了高专业要求的人员的派用。
更优选的是，传感器的多个电极布置于基底上。所述基底是多个200780020554.6 电极安装于其上或其内的任何类型的载体装置，例如纤维。根据该优选实施例的传感器有利地是也可如一件衣物那样穿戴。
更加优选的是，取决于神经信号的幅值和/或来源位置，显示设备被设置成可由处理元件控制。通过使用神经信号的幅值和/或来源位置来控制显示设备，向患者有利地提供了所检测出的信号幅值和/或来源位置的图案再现。当提供给患者关于他移动受损伤肢体的努力在他体内的神经活动上的影响的详细图像时，这增强了直观反馈。
更加优选的是，所述显示设备作为发光织物提供。发光织物包括若干光源安装于其上或其内且优选相互连接的织物纤维。例如发光织
物包括多个发光二极管(LED)。发光二极管(LED) —般是发光的半导体设备。如在该申请中所引用的，LED意指包括LED所有可应用的实施例。例如，如果LED的发光层材料是有机化合物，那么它就是已知的有机发光二极管(0LED)。发光材料可以是呈晶体相或聚合物的小的有机分子。聚合物材料可以被弯曲，这种LED已知为聚合物二极管(PLED)或可弯曲的二极管(FLED)。与常规的LED相比，0LED更轻，而聚合物LED可具有额外的可弯曲的好处。
更加优选的是，显示设备能够发出多种颜色，即发光织物包括不同颜色的LED和/或LED能够发出多种颜色。例如LED单元包含两个或更多的不同颜色的二极管。多色LED提供了神经信号幅值可通过某种颜色进行显示的优点。
LED的数目优选超过电极的数目，至少以2倍超过电极的数目。对信号幅值和/或来源位值的插值图案的显示通过更多数目的LED而得到有利地增强。
在本发明的优选实施例中，显示设备相对于传感器固定且可拆卸地布置。显示设备和传感器因此形成两个邻接层，它们可以有利地作为一件衣物由患者穿戴。显示设备和传感器的相对位置固定，以使得经检测和分析出的神经信号的幅值和/或来源位置图案可靠地显示在适当位置上。
显示设备优选可附着于人或动物的身体部分。有利的是，所述显示设备具有例如患者可穿戴于其损伤肢体上的覆盖物或包裹物的形式。
更进一步优选地，显示设备包括定位装置，用于在相对于所述身
6体部分和/或传感器的预定位置重复地附着所述显示设备。再次，固定的相对定位分配提供了所检测信号的可靠显示。例如，显示设备可带有必须与患者身体部分上的自然或人工记号相匹配的位置记号。
在本发明的进一步优选实施例中，该系统进一步包括数据存储器，数据库可储存于该数据存储器中。所述数据库包括有关向一个或更多人或动物的身体部分的肌肉或肌肉群的电极分配的信息。因不同患者的解剖学结构的不同，向肌肉的电极分配可随着个体的变化而变化。如果校正这个分配，那么就可有利地增强所显示的神经活动图案的精度。每个患者的每个分配都储存于数据库中，并可有利地提供用于在每次这个患者的治疗期开始时再调用该分配。数据存储器优选为固态电子闪存数据存储器设备，也称为存储卡或闪存卡，更优选的是它与处理元件一起安装于显示设备内或显示设备处。
本发明进一步涉及与前述生物反馈系统一起使用的显示设备，其中所述显示设备设置成可由人或动物穿戴。本发明显示设备的优点是神经活动可直接显示于其中发生神经活动的身体部分。可穿戴的显示设备的另一个优点是，它也可用于在电刺激期间发信号通知肌肉组织的逐渐疲乏，这样可防止患者跌落。
显示设备优选作为发光织物提供，所述发光织物包括多个LED。发光织物重量轻且可弯曲，而且患者可有利地象穿一件衣物似的穿戴显示设备。
本发明进一步涉及一种用于人或动物的生物反馈治疗的方法，该方法包括如下步骤
将带有多个电极的传感器附着到所述人或动物，将显示设备附着到所述人或动物的身体部分，通过多个电极检测神经信号，以及
使所述神经信号的空间分布在所述显示设备上可视化，所述显示设备作为发光织物提供。
因为患者能够看见他的移动其损伤肢体的努力在哪里导致了神经活动，所以在康复中的生物反馈效果有利地增强了。
优选地，所述方法进一步包括以下步骤分析神经信号的幅值和/或来源位置，根据所述信号的幅值和/或来源位置，控制所述显示设备的多个LED。为患者可视化所检测到的信号的幅值和来源位置的图案，这有利地表示了患者身体部分中的实际神经活动。
对于所述人或动物的每次治疗，所述显示设备优选在预定位置附着于所述身体部分和/或所述传感器。在每个治疗期的开始处的显示设备的确切定位保证了神经活动的可靠显示而治疗期的结果是可比较的。
本发明方法在另一个实施例中包括步骤确定电极和身体部分的肌肉或肌肉群的分布。通过这种校正，将所检测到的信号分配给某个肌肉或肌肉群。这增强了生物反馈效果，这是因为与最易变化的患者解剖学结构的相适应变得可能了。本领域技术人员理解的是，要么可以将电极布置为使它们最优地分配给肌肉或肌肉群，或者例如在电极阵列的情况下，使处理元件适应于给定分配。
更加优选的是，在数据库中存储对于每个人或动物的、所确定的电极和身体部分的肌肉或肌肉群的分配。进一步优选的是，所储存的、对于实际被治疗的人或动物的电极和身体部分的肌肉或肌肉群的分配在每个治疗阶段的开始处从数据库中读回。有利地是，传感器不是每个治疗期都必须校正而是仅在治疗的开始处校正一次。
本发明的这些和其他特征、性能和优点将根据下列结合了附图的详细说明中而变得清楚，这些详细说明通过示例说明了本发明的原理。本说明书仅为了示例而给出，而不是限制本发明的范围。下面引证的参考图是指附图。
图1示意性地说明了根据本发明的附着显示设备。
图2示意性地说明了根据本发明的显示设备实施例的细节。
图3示意性地说明了根据本发明的系统实施例。
本发明相对于特定实施例并参考某些图进行描述，但是本发明不限于此而是由权利要求书所限定。所描述的附图仅是示意性的而不是限制性的。在附图中，某些部件的尺寸可能被放大了且为了说明目的而未按比例画出。
当提到单数名词时采用定冠词或不定冠词，例如"一"、"一个"或者"该"时，除非有其他特别声明，否则这包括那个名词的复数。
还有，在说明书和权利要求书中第一、第二、第三以及类似术语用于在相似部件之间进行区别而非必须用于描述排序或时间顺序。应 该理解的是，这样使用的术语在合适的场合下可相互变化，而且这里 描述的本发明的实施例能够以与这里描述或示意的顺序不同的其他 顺序进行操作。
另外，在说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、之上、之下 以及类似术语用于说明目的而不是必须用于描述相对位置。应该理解 的是，这样使用的术语在合适场合下是可以互换的，而且这里描述的 本发明实施例能够以不同于这里描述或示意的其他定向进行操作。
应该注意的是，本说明书和权利要求书使用的术语"包括"，不应
该解释成限制为其后列出的转载；它并不排除其他元件或步骤。因此，
短语"包括装置A和B的设备"的范围不应该限于仅包含部件A和B的 设备。这意味着关于本发明，设备的相关部件只是A和B。
在图1中描述了显示设备1，其附着于身体部分4，这里以人的 胳膊形式给出了身体部分4的轮廓。显示设备1优选是发光织物1， 也可叫做光子(photonic)织物，是一种包含照明设备因而可用做显 示设备1的纤维。多色发光二极管LED 10的可弯曲阵列嵌于纤维中 而不损害布的柔软性。发光织物l可由人穿戴。这是最具有优势的， 这是因为发光织物1可因此用于患者的只要是实际治疗的任何身体 部分4。
显示设备1由在此不再描述的处理元件控制。在患者身体部分4 的神经信号的幅值和/或来源位置显示于显示设备1上。生物反馈是 一种例如通过肌电图(EMG)电极来检测对肌肉的低于阈值神经信号并 且为患者进行可视化的康复方法。虽然刺激不足以触发肌肉反应，但 是患者通过可视感知来意识到刺激的效果。带有生物反馈的重复实验 提升了神经信号的质量并导致高于阈值的神经信号。由患者在损伤的 肢体4 (例如他的胳膊上)穿戴发光织物的使用，使得能够以空间和 时间的方式可视化EMG活动。
在图2中描述了显示设备1,其示出了发光织物1的细节。多色 LED IO嵌于纤维13中，LED通过连接线12相互连接。例如红色LED 信号表示强的神经信号而黄色LED信号表示弱的神经信号。双色LED 单元包含两个二极管，每一个电流方向一个且每一个有一个不同颜 色，以允许通过改变极性而进行双色操作、或者允许通过改变电压处于每个极性的时间百分比而创建表观颜色范围。其他LED单元包含两 个或更多不同颜色的二极管，它们以共同阳极或共同阴极结构布置。 这些可驱动至不同颜色而不用反转极性。可选地，LED单元10可具 有使LED 10闪烁的集成振动器电路。然后，神经信号的幅值可通过 闪烁频率来显示。
纤维13可以是任何相互连接、可弯曲和/或可褶皱(drapable) 的基底，例如全部或部分地由布或塑料和薄膜制成。在纤维13中布 置了定位装置11,用于在每个治疗阶段将显示设备1附着于患者身 体部分4上的相同固定位置。定位装置11是在纤维13中的例如记号 或孔，它可与患者身体部分上的自然或人工记号相匹配。
在图3中，描述了包括传感器2和显示设备1的系统。
传感器2包括多个电极20例如EMG电极。电极20检测未在此描 述的患者的神经信号。电极20的阵列布置提供了对神经信号的幅值 以及空间分布的检测。传感器2的每个电极20连接到处理元件3， 处理元件3分析多个测量信号并生成神经信号的幅值和/或来源位置 的图案。处理元件3包括驱动显示设备1的控制单元3a。将所生成 的神经信号幅值和/或来源位置的图案输入至控制单元3a，并因此神 经信号的幅值和/或来源位置在显示设备1上可视。
显示设备包括多个LED 10，它们通过连接线12相互连接并连接 于控制单元3a。将每个电极M分配给多个LED10,这是因为在显示 设备1中的LED 10的总数目通常超过传感器2的电极20的数目。为 了提供检测的信号的平滑描绘，由处理元件3对两个电极20之间的 幅值进行插值。进一步地，将每个电极20分配给患者的某个肌肉或 肌肉群(未描述)。随着患者解剖结构的变化，这个电极20到肌肉的 分配对于每个患者是不同的。数据存储器5连接于处理元件3，其中 储存有数据库。数据库包括有关电极20到每个患者的肌肉或肌肉群 的分配的数据。在治疗阶段的开始处，从数据库将分配数据读回到处 理元件3中。
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权利要求
1、一种包括显示设备(1)和传感器(2)的生物反馈系统，所述传感器包括多个电极(20)，所述传感器(2)设置成附着于人或动物而所述显示设备(1)能够由所述人或动物穿戴，其中神经信号能够由所述传感器(2)检测而且其中所述信号的空间分布能够由所述显示设备(1)可视地呈现。
2、 根据权利要求1所述的系统，进一步包括处理元件(3)，所述 神经信号的幅值和/或来源位值能够由所述处理元件(3)分析出，和/ 或取决于所述神经信号的幅值和/或来源位值，能够由所述处理元件 (3)控制所述显示设备(1)。
3、 根据权利要求2所述的系统，其中在所述电极(20)之间的所 述神经信号的幅值能够由所述处理元件(3)进行插值。
4、 根据权利要求2所述的系统，其中所述处理元件(3)布置于所 述显示设备(1)内或所述显示设备(1)处。
5、 根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器(2)的多个电极 (20)以阵列结构布置。
6、 根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器(2)的多个电极 (20)布置于基底(21)上。
7、 根据权利要求1所述的系统，其中所述电极(20)是EMG电极。
8、 根据权利要求1所述的系统，其中所述显示设备(l)作为发光 织物提供，所述发光织物包括多个LED(IO)。
9、 根据权利要求8所述的系统，其中所述LED(10)能够发出多 种颜色。
10、 根据权利要求8所述的系统，其中LED(10)的数目超过电极 (20)的数目，至少以两倍超过电极(20)的数目。
11、 根据权利要求1所述的系统，其中所述显示设备(l)相对于 所述传感器(2)固定且可拆卸地布置。
12、 根据权利要求1所述的系统，其中所述显示设备(l)能够附 着于所述人或动物的身体部分(4)。
13、 根据权利要求12所述的系统，其中所述显示设备(l)包括定 位装置(11)，用于以相对于所述身体部分(4)和/或所述传感器(2)的预定位置重复地附着于所述显示设备(l)。
14、 根据权利要求12所述的系统，进一步包括数据存储器(5), 数据库储存于所述数据存储器中，所述数据库包括有关向一个或更多 人或动物的身体部分(4)的肌肉或肌肉群的电极(20)分配的信息。
15、 一种用于根据权利要求1所述的系统的显示设备(l)，其中 所述显示设备(l)设置成能够由人或动物穿戴。
16、 根据权利要求15所述的显示设备(l)，其中所述显示设备(l) 作为发光织物提供，所述发光织物包括多个LED(IO)。
17、 一种用于人或动物的生物反馈治疗的方法，包括如下步骤 将带有多个电极(20)的传感器(2)附着到所述人或动物， 将显示设备(1)附着到所述人或动物的身体部分(4), 通过所述多个电极(20)检测神经信号，以及 使所述神经信号的空间分布在所述显示设备(l)上可视化，所述显示设备(l)作为发光织物提供。
18、 根据权利要求17所述的方法，进一步包括如下步骤分析 神经信号的幅值和/或来源位置，和/或根据所述信号的幅值和/或来 源位置，来控制所述显示设备(I)的多个LED(IO)。
19、 根据权利要求17所述的方法，其中对于所述人或动物的每 次治疗，所述显示设备(l)以相对于所述身体部分(4)和/或所述传感 器(2)的预定位置附着。
20、 根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤确定 所述电极(20)和所述身体部分(4)的肌肉或肌肉群的分配。
21、 根据权利要求20所述的方法，进一步包括以下步骤在数 据库中储存对于每个人或动物的、所确定的所述电极(20)和所述身体 部分(4)的肌肉或肌肉群的分配。
22、 根据权利要求21所述的方法，其中所储存的、实际被治疗 的人或动物的所述电极(20)和所述身体部分("的肌肉或肌肉群的分 配从所述数据库中读回。
全文摘要
生物反馈系统和用于该生物反馈系统的显示设备。还公开了用于人或动物的生物反馈治疗的方法。生物反馈是一种在康复设施，例如神经疾病康复中使用的治疗方法。低于某个阈值的神经信号幅值不导致肌肉反应，例如，这是因为所提供的刺激不足以触发肌肉。尽管如此，为了向患者提供低于阈值的神经信号的直观反馈，检测出信号并使患者可识别出该信号。
文档编号A61B5/00GK101460088SQ200780020554
公开日2009年6月17日 申请日期2007年5月14日 优先权日2006年6月2日
发明者G·兰弗曼, R·D·威尔曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司