截肢上肢运动神经功能的重建方法及重建神经与假肢接口方法
【专利摘要】一种截肢上肢运动神经功能的重建方法，包括如下步骤：在上肢截肢者体内选择目标肌肉；从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉。上述一种截肢上肢运动神经功能的重建方法能产生较强的肌电信息。本发明还提供一种重建神经与假肢接口方法。
【专利说明】截肢上肢运动神经功能的重建方法及重建神经与假肢接口方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种截肢上肢运动神经功能的重建方法及重建神经与假肢接口方法。【背景技术】
[0002]近几十年以来,从截肢者残留肢体表面记录的肌电信号(electromyogram, EMG)被广泛用于人工上肢的控制中。利用肌电信号与肢体动作之间的直接关联关系，通过电机马达实现假肢控制，有望为截肢者提供一种多功能、直觉(仿生)操控的假肢系统。目前的肌电假肢利用一对残留肌肉(主缩肌与拮抗肌)所产生的肌电信号控制一个动作自由度。遗憾的是截肢后，肌电信息源是有限的，截肢的程度越高，残留的肢体肌肉越少，而需要恢复的肢体动作越多。例如，对于整条手臂截肢者，能用于肌电假肢控制的肌电信息源几乎全部丧失，而需要恢复上肢的所有4个关节的动作(手、腕、肘和肩)，根本无法使用目前的肌电假肢系统。
[0003]为了获取更多的假肢控制信息，人们提出了基于神经-机器接口技术(Neural-Machine Interface, NMI)的神经假肢(neuroprosthesis)的设想。截肢后，截肢者的运动神经系统一般是健全的，只是他们丧失了执行动作的肢体。当通过想象(imagine)用幻影手臂(phantom arm)做某一动作时，和正常人一样，截肢者的大脑将产生相应的神经信号，并通过神经系统传输到残存肢体。利用神经-机器接口技术捕获神经控制信号，经对捕获的神经控制信号解码(decoding)，可以预测截肢者想要执行的肢体动作，并根据预测的结果去控制假肢。这种基于神经信息的控制方法能实现多功能、有直觉的假肢控制。两种主要的神经-机器接口技术是:脑-机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术和周围神经接口(Peripheral Ne rve Interface, PNI)技术。BCI技术是直接从大脑皮层测量神经电信号或从头皮表面测量脑电信号作为假肢控制信号；PNI技术是通过植入肢体内的电极(阵)直接测量周围神经所传输的神经电信号，并将测量的信号传输到体外作为假肢控制信号。
[0004]针对截肢后可用于人工假肢控制的肌电信息源有限或完全丧失，不能实现多功能假肢自主神经控制。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要提供一种能产生较强的肌电信息的截肢上肢运动神经功能的重建方法及重建神经与假肢接口方法。
[0006]一种截肢上肢运动神经功能的重建方法，包括如下步骤:
[0007]在上肢截肢者体内选择目标肌肉；及
[0008]从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉。
[0009]在其中一个实施例中，所述目标肌肉选自胸大肌、胸小肌及背肌中的至少一种。
[0010]在其中一个实施例中，根据需要重建的臂丛神经的神经主支的数目将目标肌肉分割为对应的独立的肌区。
[0011]在其中一个实施例中，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，先将需要重建的臂丛神经的神经主支分离暴露，除去神经主支末端的疤痕组织再进行种植。
[0012]在其中一个实施例中，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，通过所述上肢截肢者的锁骨下方将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在所述目标肌肉的腹面肌束内，并对神经终止点做肌束缝合的包埋处理。
[0013]一种重建神经与假肢接口方法，包括以下步骤:
[0014]在上肢截肢者体内选择目标肌肉；
[0015]从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉；
[0016]将肌电电极置于目标肌肉的表面；
[0017]通过解码装置或分析装置分析由目标肌肉产生的肌电信号；及
[0018]根据所述肌电信号通过控制器控制多功能假肢完成相应的动作。
[0019]在其中一个实施例中，所述目标肌肉选自胸大肌、胸小肌及背肌中的至少一种。
[0020]在其中一个实施例中，根据需要重建的臂丛神经的神经主支的数目将目标肌肉分割为对应的独立的肌区，每一个神经主支种植在一个肌区。
[0021]在其中一个实施例中，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，先将需要重建的臂丛神经的神经主支分离暴露，除去神经主支末端的疤痕组织再进行种植。
[0022]在其中一个实施例中，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，通过所述上肢截肢者的锁骨下方将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在所述目标肌肉的腹面肌束内，并对神经终止点做肌束缝合的包埋处理。
[0023]上述截肢上肢运动神经功能的重建方法利用人体目标肌肉的结构与功能，重建因截肢而丢失的原有肢体运动神经功能。当实施运动神经功能重建的截肢患者想象做某一肢体动作时，大脑产生的神经信号通过残留的上肢臂丛神经传输到“目标肌肉”中，引起目标肌肉收缩产生肌电信号，该肌电信号将隐含有截肢者的运动意图信息。通过对体表无创测量的表面肌电“解码”或解析，可以预测截肢者想要执行的肢体动作。与其他神经信号检测相比，目标肌肉能产生非常强的电信号，因此目标肌肉起到了一个“生物放大器(Bio-amplifier)”的作用。另外，重建的肌电信号可以很容易地用体表电极无创检测到，不需要将任何电极植入到人体内获取运动神经信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为人体上肢臂丛神经示意图；
[0025]图2为一实施方式的截肢上肢运动神经功能的重建方法的流程图；
[0026]图3为全臂截肢目标肌肉神经分布重建示意图；
[0027]图4为一实施方式的重建神经与假肢接口方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0029] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0030]请同时参阅图1，人类上肢动作主要由来自臂丛的4条神经分支来支配(见图1)，它们依次是:①肌皮神经(Musculocutaneous Nerve, MCN),支配肘部屈伸运动-’②烧神经(Radial Nerve, RN),支配肘部、腕及部分手指的伸展运动；③正中神经(MedianNerve, MN),支配屈腕及屈指动作；@尺神经(UlnarNerve, UN)，支配手部部分指间关节及手指精细运动(主要是第3指到第5指)。
[0031]请参阅图2，一实施方式的截肢上肢运动神经功能的重建方法，包括以下步骤:
[0032]步骤S 110、在上肢截肢者体内选择目标肌肉。
[0033]对于全臂截肢者(Shoulder Disarticulation, SD),需要恢复的上肢动作有:肩部、肘部、腕部和手部动作。为了恢复这4个部位的动作，选择截肢同侧胸大肌与胸小肌作为目标肌肉作为上肢运动神经功能重建区域。需要说明的是，目标肌肉的选择可根据截肢者残留肌肉的不同及残留神经的情况作出相应的调整，例如也可以利用背部肌肉作为目标肌肉，也可以同时利用部分胸肌和部分背肌等。选取胸大肌作为目标肌肉的原因是，胸大肌位置表浅，覆盖于胸廓前壁体表；靠近上肢，且肌肉宽大、丰厚，具有良好的肌肉运动功能，能过产生较大的肌电信号，便于体表无创测量；由于手臂的丢失，为手臂提供运动和力量支持的胸大肌已经失去原有的生物功能，因此可以作为肢体运动神经功能重建的目标肌肉。
[0034]优选的，根据需要重建的臂丛神经的神经主支的数目将目标肌肉分割为对应的独立的肌区。具体的，先将目标肌肉-胸大肌按肌肉起止关系与肌束分布特点作钝性分割，从胸大肌锁骨部(上缘)至腹部区(下缘)依次将胸大肌分割成3块独立的肌区，胸大肌的3块肌区与胸小肌可分别作为上肢肌皮神经、桡神经、正中神经与尺神经的独立支配肌区，在进行神经种植前，先将支配目标肌肉-胸大肌、胸小肌的原有神经(胸外侧神经与胸内侧神经)彻底与神经干离断，并逐次离断每一块胸大肌肌区的神经分支。需要说明的是，对目标肌肉分块也可以采用不同的分割方式，可以将目标肌肉分割为不同数目的肌块或不分割，将目标肌肉看作是一个整体。
[0035]步骤S120、从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉。
[0036]从全臂截肢者的上肢残端将臂丛神经4个主要分支:肌皮神经、桡神经、正中神经与尺神经的神经主支依次分离暴露，切除每条神经末端的疤痕组织(大约5mm左右)，通过截肢者锁骨下方将肌皮神经、桡神经、正中神经与尺神经的神经主支依次种植在目标肌肉(胸大肌的3块肌区、胸小肌)腹面肌束内，并对每块肌区的神经种植点作肌束缝合的包埋处理，以防止新植入的神经与肌束发生运动性撕脱。
[0037]需要说明的是，可以仅对臂丛神经中的部分神经功能进行重建。
[0038]请参阅图3，实施臂丛神经在目标肌肉中的种植后，臂丛神经将开始在各自的胸肌块中重新生长和分布。大约经过3-5个月的时间，臂丛神经将在目标肌肉中基本形成一个新的神经分布网络，4个相互独立的胸肌块将分别受4条臂丛神经的控制，来自臂丛神经的运动命令信号将刺激胸肌块中的肌细胞，引起相应的胸肌块收缩产生电信号，这样的电信号可以在体表无创检测到。
[0039]上述截肢上肢运动神经功能的重建方法，利用人体目标肌肉的结构与功能，重建因截肢而丢失的原有肢体运动神经功能。当实施运动神经功能重建的截肢患者想象做某一肢体动作时，大脑产生的神经信号通过残留的上肢臂丛神经传输到“目标肌肉”中，引起目标肌肉收缩产生肌电信号，该肌电信号将隐含有截肢者的运动意图信息。通过对体表无创测量的表面肌电“解码”或解析，可以预测截肢者想要执行的肢体动作。与其他神经信号检测相比，目标肌肉能产生非常强的电信号，因此目标肌肉起到了一个“生物放大器(Bio-amplifier)”的作用。另外，重建的肌电信号可以很容易地用体表电极无创检测到，不需要将任何电极植入到人体内获取运动神经信息。
[0040]请参阅图4，一实施方式的重建神经与假肢接口方法，包括以下步骤:
[0041]步骤S210、在上肢截肢者体内选择目标肌肉。
[0042]对于全臂截肢者(Shoulder Disarticulation, SD),需要恢复的上肢动作有:肩部、肘部、腕部和手部动作。为了恢复这4个部位的动作，选择截肢同侧胸大肌与胸小肌作为目标肌肉作为上肢运动神经功能重建区域。需要说明的是，目标肌肉的选择可根据截肢者残留肌肉的不同及残留神经的情况作出相应的调整，例如也可以利用背部肌肉作为目标肌肉，也可以同时利用部分胸肌和部分背肌等。选取胸大肌作为目标肌肉的原因是，胸大肌位置表浅，覆盖于胸廓前壁体表；靠近上肢，且肌肉宽大、丰厚，具有良好的肌肉运动功能，能够产生较强的肌电信号，便于体表无创测量；由于手臂的丢失，为手臂提供运动和力量支持的胸大肌已经失去原有的生物功能，因此可以作为肢体运动神经功能重建的目标肌肉。
[0043]优选的，根据需要重建的臂丛神经的神经主支的数目将目标肌肉分割为对应的独立的肌区。具体的，先将目标肌肉-胸大肌按肌肉起止关系与肌束分布特点作钝性分割，从胸大肌锁骨部(上缘)至腹部区(下缘)依次将胸大肌分割成3块独立的肌区，胸大肌的3块肌区与胸小肌可分别作为上肢肌皮神经、桡神经、正中神经与尺神经的独立支配肌区，在进行神经种植前，先将支配目标肌肉-胸大肌、胸小肌的原有神经(胸外侧神经与胸内侧神经)彻底与神经干离断，并逐次离断每一块胸大肌肌区的神经分支。需要说明的是，对目标肌肉分块也可以采用不同的分割方式，可以将目标肌肉分割为不同数目的肌块或不分割，将目标肌肉看作是一个整体。
[0044]步骤S220、从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉。
[0045]从全臂截肢者的上肢残端将臂丛神经4个主要分支:肌皮神经、桡神经、正中神经与尺神经的神经主支依次分离暴露，切除每条神经末端的疤痕组织(大约5mm左右)，通过截肢者锁骨下方将肌皮神经、桡神经、正中神经与尺神经的神经主支依次种植在目标肌肉(胸大肌的3块肌区、胸小肌)腹面肌束内，并对每块肌区的神经种植点作肌束缝合的包埋处理，以防止新植入的神经与肌束发生 运动性撕脱。
[0046]需要说明的是，可以仅对臂丛神经中的部分神经功能进行重建。
[0047]实施臂丛神经在目标肌肉中的种植后，臂丛神经将开始在各自的胸肌块中重新生长和分布。大约经过3-5个月的时间，臂丛神经将在目标肌肉中基本形成一个新的神经分布网络，4个相互独立的胸肌块将分别受4条臂丛神经的控制，来自臂丛神经的运动命令信号将刺激胸肌块中的肌细胞，引起相应的胸肌块收缩产生电信号，这样的电信号可以在体表无创检测到。
[0048]步骤S230、将肌电电极置于目标肌肉的表面。
[0049]截肢者成功实施臂丛神经在目标肌肉中的重建后，当他/她通过想象做一个肢体动作时(例如，握拳)，大脑产生的运动命令神经信号将沿着残留的臂丛神经到达相应的目标胸肌块，引起胸肌块收缩产生相应的肌电信号；将肌电电极置于目标胸肌的表面，就能测量到很强的表面肌电(EMG)信号。
[0050]步骤S240、通过解码装置或分析装置分析由目标肌肉产生的肌电信号。
[0051]由于EMG是由臂丛神经(或运动神经)刺激目标肌肉产生的，因此EMG中将隐含着截肢者的动作意图；通过相应的解码或解析算法分析EMG信息，就能知道截肢者想要完成的手臂动作。
[0052]步骤S250、根据所述肌电信号通过控制器控制多功能假肢完成相应的动作。
[0053]根据解析的手臂动作类型通过控制器操控多功能假肢完成相应的动作，实现多功能假肢的仿生操控。
[0054]上述重建神经与假肢接口方法具有以下优点:
[0055](I)、克服了 如健侧神经-对侧移植术和神经皮瓣联合移植术等其他神经功能重建技术在神经功能重建效率低、患者适用性差的不足与缺点，针对截肢者特殊的群体需求，利用其自身的目标肌肉与残留肢体的臂丛神经重建了原有肢体中神经与肌肉之间的解剖结构，从而进一步实现肢体运动功能；
[0056](2)、脑机接口(BCI)和周围神经接口(PNI)采集的是神经信号，通常来讲，神经信号具有微弱、信噪比低及容易受外界干扰的影响等问题。而本发明提出了一种全新神经-机器接口技术，它采集的是神经信号经肌肉“放大”后的肌电信号。由于胸大肌具有丰富的肌群，因此会产生非常强的电信号；
[0057](3)、为了得到较好的神经信息，脑机接口(BCI)和周围神经接口(PNI)需要将电极植入人体采集信号，是有创的接口技术，而且存在着将检测信号传输到体外的困难和电极植入体内的长期生物兼容性等问题。而本发明提出的接口技术，不需要植入人体任何电极，可以直接从体表无创的测量EMG信号，因而信号的采集、处理都非常方便。
[0058]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种截肢上肢运动神经功能的重建方法，其特征在于，包括如下步骤: 在上肢截肢者体内选择目标肌肉；及 从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉。
2.根据权利要求1所述的截肢上肢运动神经功能的重建方法，其特征在于，所述目标肌肉选自胸大肌、胸小肌及背肌中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的截肢上肢运动神经功能的重建方法，其特征在于，根据需要重建的臂丛神经的神经主支的数目将目标肌肉分割为对应的独立的肌区。
4.根据权利要求1所述的截肢上肢运动神经功能的重建方法，其特征在于，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，先将需要重建的臂丛神经的神经主支分离暴露，除去神经主支末端的疤痕组织再进行种植。
5.根据权利要求1所述的截肢上肢运动神经功能的重建方法，其特征在于，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，通过所述上肢截肢者的锁骨下方将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在所述目标肌肉的腹面肌束内，并对神经终止点做肌束缝合的包埋处理。
6.一种重建神经与假肢接口方法，其特征在于，包括以下步骤: 在上肢截肢者体内选择目标肌肉； 从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉； 将肌电电极置于目标肌肉的表面； 通过解码装置或分析装置分析由目标肌肉产生的肌电信号；及 根据所述肌电信号通过控制器控制多功能假肢完成相应的动作。
7.根据权利要求6所述的重建神经与假肢接口方法，其特征在于，所述目标肌肉选自胸大肌、胸小肌及背肌中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的重建神经与假肢接口方法，其特征在于，根据需要重建的臂丛神经的神经主支的数目将目标肌肉分割为对应的独立的肌区，每一个神经主支种植在一个肌区。
9.根据权利要求6所述的重建神经与假肢接口方法，其特征在于，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，先将需要重建的臂丛神经的神经主支分离暴露，除去神经主支末端的疤痕组织再进行种植。
10.根据权利要求6所述的重建神经与假肢接口方法，其特征在于，所述从上肢截肢者的残端将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在目标肌肉的步骤中，通过所述上肢截肢者的锁骨下方将需要重建的臂丛神经的神经主支种植在所述目标肌肉的腹面肌束内，并对神经终止点做肌束缝合的包埋处理。
【文档编号】A61F2/72GK103892944SQ201210567022
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月24日 优先权日:2012年12月24日
【发明者】李光林, 杨琳, 吴凤霞, 张良清, 田岚 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院