专利名称：镜像运动神经调制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及神经康复技术领域，尤其涉及一种用于脑卒中及中枢神经损伤后偏瘫患者康复治疗的镜像运动神经调制系统。
背景技术：
中枢神经系统病变常常引起人体运动功能障碍，最常见的是偏侧肢体瘫痪，极大的影响患者的工作和生活，而且给家庭和社会也带来了沉重的负担。传统的医疗康复手段主要是靠针灸、按摩、体疗以及理疗被动治疗，其治疗方法和治疗效果有限。近年来随着神经科学和临床康复医学的科研与发展，先后提出一些新的神经生理学理论和神经功能障碍的神经运动疗法，比如神经损伤的再生、重建、功能补偿理论、运动再学习理论、功能性电刺激(FES)、生物反馈治疗，强制性运动疗法、运动想象疗法、 动作观察疗法、经颅磁刺激疗法、机器人辅助治疗等新的治疗方法，以及最近利用视觉反馈，看镜子健侧运动的的镜像运动疗法。这些治疗往往只利用了部分神经运动机理促进康复，疗效并不理想。神经控制运动是感觉、运动驱动、情绪、记忆多功能、多种神经反馈回路共同调节的结果，因此要增加神经康复要尽量调动更多的神经元参与。镜像神经元是近十几年来神经科学研究的新发现，1996年首先发现猴类看见动作时就有放电活动做出模仿动作的镜像神经，1998年应用磁共振和经颅磁刺激技术又发现人脑多部位同样也有镜像神经元系统。研究证明镜像神经系统是运动观察、想象、模仿、学习和神经功能重建的神经生理基础。经颅直流电刺激(tDCS)是一种古老而又重新认识、重新发现的新的电疗方法。用无创微弱电流，以电场极化的作用方式调节大脑神经细胞膜电位的静息水平，影响神经细胞的局部电位，改变兴奋阈值，正极刺激能使神经兴奋性增加，负极刺激抑制神经功能。用负极刺激健侧大脑、正极刺激患侧大脑可以直接兴奋患侧大脑、抑制健侧皮质对患侧的抑制。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种以镜像运动神经调制为主的康复治疗系统，旨在利用更多的运动协助机制实现大脑功能调控与重建，促进神经突触的可塑性及神经功能的康复，提高中枢性偏瘫患者的治疗效果。为了达到上述目的，本发明提出一种镜像运动神经调制系统，包括若干导联的生物信号放大器，用于米集健侧肢体活动时的表面肌电信号的信息；微电脑控制器，用于对所述表面肌电信号进行处理，形成模拟积分的动态肌电包络状指令信号；若干导联的功能性电刺激器，用于根据所述健侧肢体模拟积分的动态肌电包络状指令信号，以等比例运动的镜像电流刺激对侧患侧肢体产生相似的同步收缩的镜像运动。优选地，所述若干导联的生物信号放大器具有检测电极，所述检测电极贴在患者健侧肢体的相应肌肉部位；所述若干导联的功能性电刺激器具有刺激电极，所述刺激电极贴在患者患侧肢体的对应肌肉部位。优选地，该系统还包括处理器，连接在所述生物信号放大器与微电脑控制器之间，用于对所述表面肌电信号进行AD转换、放大、整流、滤波与积分电路处理。优选地，所述微电脑控制器对所述表面肌电信号进行处理的方式包括AD转换、数字滤波以及小波分析处理。 优选地，该系统还包括微电流直流恒流刺激器，与所述微电脑控制器连接，其正极连接患侧肢体的皮子代表区的头部位置，负极连接健侧相对应的头颅表面，用于在外周肢体产生镜像运动时，头部的微电流直流电刺激协同刺激大脑皮子神经元，调节和增加患侧大脑的兴奋性，共同促进受损皮质功能的恢复。优选地，所述微电流直流恒流刺激器选用的是高压运算放大器与恒流源电路。优选地，所述微电流直流恒流刺激器的刺激电流小于5mA。优选地，所述微电脑控制器还用于延时触发所述功能性电刺激器，使患侧肢体肌肉刺激时间同步延时，产生健侧肢体与患侧肢体的相位交替运动。优选地，所述生物信号放大器为低噪高阻抗仪表放大器；所述微电脑控制器选用的是ARM系列单片机。优选地，所述表面肌电信号的信息至少包括以下之一肌电信号的幅度、波形、活动时间、间歇时间、各肌群之间的活动时序。本发明提出的一种镜像运动神经调制系统，综合应用FES、tDCS技术和镜像运动神经元参与运动控制的原理，利用生物信号放大器、模拟肌电积分包络信号控制的功能性电刺激器、微电流直流恒流刺激器在微电脑控制器的整合下，集成一体，利用健侧肢体进行功能性活动的若干肌群的肌电信号，经过放大、整流、滤波、采样和数学处理，产生若干功能活动肌群的肌电活动包络信号，并以此调制和控制若干导联的功能性电刺激，使对侧患病肢体的若干肌群根据健侧肌电的活动强度、强度变化、收缩时间、间歇时间、活动时序产生同样的镜像动作，不用镜子，患者可以亲眼看到并感觉到双侧肢体的同步镜像活动或功能性镜像活动，充分调动患者镜像神经、感觉神经、运动神经以及运动意念、运动反馈等中枢神经、外周神经等反射弧，实现大脑功能调控与重建，促进神经突触的可塑性，促进神经功能的康复，从而达到运动康复的治疗效果。
图I是本发明镜像运动神经调制系统较佳实施例的结构框图；图2是本发明镜像运动神经调制系统的工作过程示意图。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
具体实施例方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。镜像神经元系统被发现已有十多年历史。当人类见到一种新的行为，效仿这种行为活动时，大脑运动前区一组特殊细胞有放电现象，故名为镜像神经元，不论是自己做出动作，还是看到别人做出同样的动作，镜像神经元都会被激活，它的功能是用以帮助人类运动学习，模拟仿制，是运动神经网络重建的重要解剖生理学基础，也是理解他人行为的基础。目前发现镜像神经元在大脑的分布广泛，运动前区皮质、顶叶、颞叶和岛叶均可见到大量镜像神经元。此外还有一类镜像神经元，在观察新动作、行为、语言、脸部表情和身体姿势时激活。另一类镜像神经元则在当人们企图去认识刚才观察到后的意念时激活。当人们主动进行认识、模仿、学习的意念增强时镜像神经元激活，当皮质兴奋性提高时，镜像神经的活动可使肢体的运动功能改善。镜像疗法也是一种新的运动康复治疗方法例如把镜子以一定的角度置于两侧肢体中间，病变肢体在镜子反面看不见，令患者注视镜内的健侧肢体，令患者两侧肢体同时镜像活动，由于患侧肢体始终被镜子遮盖，患者见到病变肢体在镜内能够活动自如，是一种病人主动参与的无创性神经学习重建方法，对脑卒中及中枢神经损伤后偏瘫患者的康复治疗有效。tDCS也是一门重新认识的新技术，两者结合一起使用可加强治疗效果。
本发明正是基于上述原理，采用双侧主动运动和健侧帮助患侧镜像运动并辅助经颅直流电刺激的思路，充分利用多种神经运动调制机制，把主动运动、动作观察、镜像运动、想象运动、生物反馈运动、双侧运动体感反射、功能性电刺激，经颅直流调制技术集为一体，是一种全新的神经康复综合治疗技术。本发明充分调动患者镜像神经、感觉神经、运动神经以及运动意念、运动体感反馈等中枢神经、外周神经等反射弧、微直流对大脑皮质功能调制，实现患侧大脑调制与重建，促进神经突触的可塑性，促进神经功能的康复，从而达到运动康复的治疗效果。具体地，如图I所示，本发明较佳实施例提出一种镜像运动神经调制系统，主要用于治疗中枢性偏瘫病人的康复训练与治疗，该镜像运动神经调制系统包括若干导联的生物信号放大器I、微电脑控制器2、若干导联的功能性电刺激器3,其中生物信号放大器I的输入端具有检测电极11，功能性电刺激器3的输入端具有刺激电极31，若干导联的生物信号放大器I的输入端的检测电极11以及若干导联的功能性电刺激器3的刺激电极31，以片状的形式分别贴在健侧(测量肌电)、患侧一一对应的肌群体表部位，即生物信号放大器I的检测电极11贴在患者健侧肢体的相应肌肉部位，功能性电刺激器3的刺激电极31贴在患者患侧肢体的对应肌肉部位。生物信号放大器I用于米集健侧肢体活动时的表面肌电信号的信息，该表面肌电信号的信息包括肌电信号的幅度、波形、活动时间、间歇时间、各肌群之间的活动时序等。微电脑控制器2用于对所述表面肌电信号进行处理，形成模拟积分的动态肌电包络状指令信号；所述微电脑控制器2对所述表面肌电信号进行处理的方式包括AD转换、数字滤波以及小波分析处理等。若干导联的功能性电刺激器3用于根据所述模拟积分的动态肌电包络状指令信号，以等比例镜像电流刺激健侧肢体对侧的患侧肢体产生等比例同步收缩的镜像运动。通过等比例镜像电流刺激对侧镜像肌肉产生等比例同步收缩，在患侧肌肉收缩时，既产生了真正的镜像运动，又使患侧肌肉得到了功能锻炼，使肌肉内的肌腱、肌梭等本体感觉传感器兴奋，参与感觉运动神经回路的反馈调节与反射弧的重建，更好的促进患侧运动神经功能的康复。
为了更好的对表面肌电信号进行处理，本实施例镜像运动神经调制系统进一步还包括处理器4，该处理器4连接在所述生物信号放大器I与微电脑控制器2之间，用于对所述表面肌电信号进行AD转换、放大、整流、滤波与积分电路处理。生物信号放大器I采集健侧肢体肌肉表面的肌电信号的幅度、波形、活动时间、间歇时间、各肌群之间的活动时序等信息。之后将所收集的信息经过处理器4放大、滤波处理，虑除与信号无关的频率，经过整流和积分电路，把信号经AD转换，在微电脑控制器2内采用小波分析等数学处理方法，形成与健侧肌肉活动一致的模拟积分网络信号，用这种信号作为控制指令信号，调控相应通道的功能性电刺激器3的输出，使患侧肢体产生同步镜像运动。此外，为了协同刺激大脑皮子神经元，本实施例镜像运动神经调制系统进一步还包括微电流直流恒流刺激器5，该微电流直流恒流刺激器5与所述微电脑控制器2连接，微电流直流恒流刺激器5的正极连接患侧肢体的皮质代表区的头部位置，增加患侧大脑的兴奋性和血流量，负极连接健侧相对应的头颅表面，抑制健侧半球对患侧的抑制。用于在外周肢体产生镜像运动时，头部的微电流直流电刺激协同刺激大脑皮子神经元，调节和增加患 侧大脑的兴奋性，共同促进受损皮质功能的恢复。因为，双侧大脑对运动功能的控制是相互协调和交互抑制的，在单侧大脑大脑运动功能损伤后，患侧皮质对健侧大脑的抑制消失，而健侧运动皮质对患侧运动皮质的抑制作用增强，不利于患侧大脑受损神经的恢复正常兴奋功能，因此需要用微电流调控双侧大脑皮质的兴奋性，用负极电流抑制健侧大脑对患侧的抑制，增强患侧大脑皮质的兴奋性，与镜像运动治疗有协同和增加疗效的作用。本实施例上述微电流直流恒流刺激器5选用的是高压运算放大器与恒流源电路，该仪器具有经颅微直流电刺激的功能。所述微电流直流恒流刺激器5的刺激电流小于5mA。所述生物信号放大器I可以采用低噪高阻抗仪表放大器，该仪器具有各种生物电信号检测功能，可以检测心电、脑电与肌电图信号。所述微电脑控制器2选用的是ARM系列单片机，该仪器具有快速、高精度的数学运算功能。上述微处理器4与微电脑控制器2可以采用模拟积分电流刺激器，该模拟积分电流刺激器选用的是运算放大器，经过高频二极管整理、数字滤波、微电脑小波分析，经过峰值检测和平滑处理，得到实时同步的表面肌电信号。该仪器具有肌电检测、分析与肌电包络信号提取功能。本实施例由多导联生物放大器采集健侧肢体功能运动时多块肌肉的肌电生物信号、通过整流滤波和计算机处理成为模拟积分肌电包络信号，作为刺激对侧若干相应肌肉镜像运动的指令信号，调制多导联功能性电刺激带动患侧肢体相应肌肉的镜像运动，由于健侧皮质运动神经可产生对患侧大脑运动区的交互抑制，用微电流直流恒流刺激器5的正电极刺激患侧大脑，负电极置于健侧大脑运动区的头皮部位，降低健侧大脑对患侧大脑的抑制，提高患侧大脑神经兴奋性。本技术模拟人体学习运动时大脑镜像神经元活动机制，激发镜像神经元活动，让病人主动参与，调动双侧大脑同时活动，是一种无创性神经主动学习重建技术，有助于患者受损神经功能重建与康复。下面结合图2对本实施例的工作原理详细阐述如下
使用时，把检测电极11和刺激电极31分别贴在病人的健侧和患侧对应肌肉位置，当患者运动健侧肢体时，生物放大器输入端的检测电极11片收集健侧肢体肌肉表面肌电信号的信息，经放大、整流、滤波与积分电路的处理，再经过微电脑控制器2自身的AD转换、数字滤波和小波分析等数学处理，产生健侧肌群在功能活动时的积分包络肌电信号，调制用于患侧肢体的功能性电刺激器3的输出，用以产生患侧肢体的镜像运动。同时用微电流直流恒流刺激器5输出5mA以下的微电流，用正极刺激患侧大脑头部运动区，负极刺激健侧大脑相应运动区。在外周肢体产生镜像运动时，头部的微电流直流电刺激协同刺激大脑皮子神经元，调节和增加患侧大脑的兴奋性，共同促进受损皮质功能的回复。此外，微电脑控制器2还可以延时触发所述功能性电刺激器3，使患侧肢体肌肉刺激时间同步延时，产生健侧肢体与患侧肢体的相位交替运动。具体地，本发明可以利用健侧神经肌肉的功能性电生理活动，控制对侧患病肌肉 发生同步镜像运动，也可以通过延时触发，按健侧各个通道的信号时序非同步刺激患侧作为功能性锁时异步协调活动，模拟双侧肢体交互抑制、轮流收缩，如同走路上肢、下肢轮流交替动作，完成行走功能。本发明实施例镜像运动神经调制系统，综合应用FES、tDCS技术和镜像运动神经元参与运动控制的原理，利用生物信号放大器I、模拟肌电积分包络信号控制的功能性电刺激器3、微电流直流恒流刺激器5在微电脑控制器2的整合下，集成一体，利用健侧肢体进行功能性活动的若干肌群的肌电信号，经过放大、整流、滤波、采样和数学处理，产生若干功能活动肌群的肌电活动包络信号，并以此调制和控制若干导联的功能性电刺激，使对侧患病肢体的若干肌群根据健侧肌电的活动强度、强度变化、收缩时间、间歇时间、活动时序产生同样的镜像动作，不用镜子，患者可以亲眼看到并感觉到双侧肢体的同步镜像活动或功能性镜像活动，充分激活与调动患者镜像神经、感觉神经、运动神经以及运动驱动意念、运动反馈等中枢神经、外周神经反射弧，参与实现大脑功能调控与重建，促进神经突触的可塑性，促进神经功能的康复，从而达到运动康复的治疗效果。本发明作为一种新型的运动疗法的创新设备，简单、易学、易做、高效、安全，给神经运动康复增加了一种新的治疗方法。同时本发明还可以通过电脑控制编程，使患侧肌肉刺激时间同步延时、产生健侧与患侧肢体的相位交替运动、交互抑制运动、镜像运动、协调的同步运动和异步运动。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种镜像运动神经调制系统，其特征在于，包括 若干导联的生物信号放大器，用于采集健侧肢体活动时的表面肌电信号的信息； 微电脑控制器，用于对所述表面肌电信号进行处理，形成模拟积分的动态肌电包络状指令信号； 若干导联的功能性电刺激器，用于根据所述模拟积分的动态肌电包络状指令信号，以等比例镜像电流刺激健侧肢体对侧的患侧肢体产生等比例同步收缩的镜像运动。
2.根据权利要求I所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述若干导联的生物信号放大器具有检测电极，所述检测电极贴在患者健侧肢体的相应肌肉部位；所述若干导联的功能性电刺激器具有刺激电极，所述刺激电极贴在患者患侧肢体的对应肌肉部位。
3.根据权利要求2所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，还包括处理器，连接在所述生物信号放大器与微电脑控制器之间，用于对所述表面肌电信号进行AD转换、放大、整流、滤波与积分电路处理。
4.根据权利要求3所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述微电脑控制器对所述表面肌电信号进行处理的方式包括AD转换、数字滤波以及小波分析处理。
5.根据权利要求4所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，还包括微电流直流恒流刺激器，与所述微电脑控制器连接，其正极连接患侧肢体的皮子代表区的头部位置，负极连接健侧相对应的头颅表面，用于在外周肢体产生镜像运动时，头部的微电流直流电刺激协同刺激大脑皮子神经元，调节和增加患侧大脑的兴奋性，共同促进受损皮质功能的恢复。
6.根据权利要求5所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述微电流直流恒流刺激器选用的是高压运算放大器与恒流源电路。
7.根据权利要求6所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述微电流直流恒流刺激器的刺激电流小于5mA。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述微电脑控制器还用于延时触发所述功能性电刺激器，使患侧肢体肌肉刺激时间同步延时，产生健侧肢体与患侧肢体的相位交替运动。
9.根据权利要求8所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述生物信号放大器为低噪高阻抗仪表放大器；所述微电脑控制器选用的是ARM系列单片机。
10.根据权利要求I所述的镜像运动神经调制系统，其特征在于，所述表面肌电信号的信息至少包括以下之一肌电信号的幅度、波形、活动时间、间歇时间、各肌群之间的活动时序。
全文摘要
本发明公开一种镜像运动神经调制系统，包括若干导联的生物信号放大器、微电脑控制器、若干导联的功能性电刺激器及微电流直流恒流刺激器。本发明综合应用功能性电刺激、经颅直流电刺激技术和镜像运动神经元参与运动控制的原理，利用生物信号放大器、模拟肌电积分包络信号控制的功能性电刺激器、微电流直流恒流刺激器在微电脑控制器的整合下，利用健侧肢体进行功能性活动的若干肌群的肌电信号，经过处理产生肌电活动包络信号，并以此调制和控制若干导联的功能性电刺激，使对侧患病肢体的若干肌群根据健侧肌电信息产生同样的镜像动作，实现大脑功能调控与重建，促进神经突触的可塑性及神经功能的康复，达到运动康复的治疗效果。
文档编号A61N1/36GK102886102SQ201210361260
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者杨亦铮 申请人:深圳英智科技有限公司