一种增强神经生理功能的方法和装置的制作方法

专利名称：一种增强神经生理功能的方法和装置的制作方法
相关的U.S.申请数据本申请是美国临时专利申请第60/377,202号的非临时权利申请。
本发明的背景发明领域本发明涉及增强神经生理功能的方法和装置，例如感觉运动支配和神经可塑性，通过结合感觉细胞功能的改善和预定的体育活动，并应用特定的装置。
相关文章的描述哺乳动物的神经系统是一组复杂的相互联系和相互作用的亚系统。所述亚系统通过它们的解剖部位和功能来分类和命名。总的来分，神经系统分为中枢和外周神经系统。中枢神经系统(CNS)包括大脑和脊髓；外周神经系统(PNS)包括在CNS外发现的所有剩余的神经结构。所述PNS进一步功能性的分为躯体(随意)和自主(非随意)神经系统。所述PNS也可结构的描述为包括传入(感觉)神经，它将信息输送到CNS，以及传出(运动)神经，它将信息从CNS传出。
在脊髓和大脑中发现了传出和传入神经之间的相互联系。总而言之，特定种类的传入和传出神经组成了感觉运动“回路”，它对于面对环境干扰和意向变化时实现协调运动来说是必需的。在外周(躯干、上肢和下肢)，传入神经运输来自特殊神经元的感觉信息，这些神经元对疼痛、温度和机械刺激敏感，皮肤表面的接触和振动，以及深部结构的方位、力和伸展，例如肌肉、腱、韧带和关节囊。名词“本体感觉”通常应用于和肢体位置觉和肌肉收缩直接相关的感觉信息。和触觉(触)一起，机械感觉信息共同称为“躯体感觉”。
特殊的“机械性刺激感受器”神经元将躯体和环境相互作用产生的机械刺激转换为电信号，例如可被神经系统传递和翻译的电信号。皮肤中环层小体被触觉所刺激。肌梭，被发现散布在骨骼肌组织中，由于外周肌肉的伸展状态而激活。高尔基腱器官感觉腱中的力水平。关节周围结构(韧带、半月板等)中的游离神经末梢提供了关于关节位置的附加信息。一些这种机械性刺激感受器系统被认为通过兴奋和抑制性突触以及减少通路而直接相互作用，从而调节来自其他机械性刺激感受器系统信号的功能和翻译。
所有类型的感觉细胞典型的是阈-依赖单位。那就是说，如果对于感觉细胞的刺激不足够大，所述细胞就不会激活和产生信号。这种刺激称为“阈下刺激”。高于阈值的刺激称为“超阈刺激”。
神经系统—大脑、脊髓和外周神经中的连接在面对置于躯体的需求时是高度可变的新形式的活动，病态和受伤。对于健康的个体，这些神经变化可使之获得新的体育技能，一种称为“运动学习”的过程。在特定类型的软组织受伤后(例如膝前交叉韧带的断裂，一种在机械性刺激感受器中富含的结构)，接下来用医学努力例如手术修复损害，神经系统可经历代偿性改变来适应天然感觉神经元的丧失。相似的PNS和CNS神经系统变化是一些个体在脊髓或大脑损伤后能重新恢复丧失的运动功能的原因。总而言之，这些神经系统中的结构改变称为“神经可塑性”或“神经可塑性变化”。
最近的研究显示，从神经末稍周围的传入(感觉)活性是PNS和CNS神经系统中神经可塑性变化的关键驱动之一。
本发明关心的是神经末稍周围的机械感觉神经元及其作用，尤其是在感觉运动控制和诱导神经系统的神经可塑性变化中的作用。在本发明中，我们将现有技术中增强个体感觉细胞功能的方法和新的方法和设备相结合以增强感觉运动控制和神经可塑性。重要的是，增强的感觉细胞功能的本质在于，在信息富集模式下，响应环境刺激的天然发射速率(firing rate)增加了。这就是说，增加的感觉细胞发射与肢体功能相一致，从而自然就不会不协调。
对组织进行电刺激已被用于各种治疗目的，其中包括刺激肌肉活性，缓解疼痛和产生感觉。随着电刺激强度的增加，其效果依次为触电感(麻刺感)模式，感觉增强，肌肉自发性收缩，疼痛，然后是电灼烧或心律不齐形式的损伤。
过去，出于缓解疼痛的治疗目的，具有可调节的脉冲周期、强度和脉冲宽度的脉冲电波被用于人体特定部位。电波治疗，如授予Bastyr等人的美国专利5,487,759，已被用于慢性病、手术和外伤后剧痛的症状缓解和治疗，并用于放松肌肉以延迟肌肉萎缩。
在美国专利No.5782873和6032074(Collins)中描述了用于提高感觉细胞功能的感知水平下刺激(即，阀下刺激)，其内容整体参考引用于此。Collins公开了通过有效降低其激发(firing)阀值来提高感觉细胞功能的非和设备。简而言之，将阀下刺激或偏置信号输入感觉神经元，它倾向于使神经元激发，而实际上并不会使它激发。在一个优选实施方式中，所述偏置信号是包含许多频率的宽带信号，常称为“噪声”。由于感觉细胞常常是阀值基单元，将感觉细胞的阀值降低，降低导致感觉细胞响应所需的外部刺激水平。因此，在偏置信号存在下，所述感觉细胞响应于刺激物的强度，它通常认为是无噪声条件下神经元的阀下值。可以单独或组合使用偏置信号的电学形态和机械形态，降低感觉神经元的察觉阀值。
简要的说，一种阈下刺激或“偏置信号”，被输入到易使神经元激活的感觉神经元中，但实际上没有使其激活。在一种优选的实施方案中，所述偏置信号是一种包含许多频率的宽带信号，通常称为“噪音”。由于感觉细胞典型的是阈-依赖的单位，因此降低感觉细胞的阈值就会降低导致感觉细胞反应(例如激活)所需的外部刺激水平。因此，所述感觉细胞，在偏置信号存在的条件下，被期望会对通常在缺少噪音的条件下被认为是神经元的阈下刺激产生反应。偏置信号的电和机械特点，单独或联合应用，都可用来影响降低感觉神经元的感觉阈。
发明概述在一种优选的实施方案中，提供了一种增强受试者感觉运动功能的方法，包括当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中。按照这种方法输入偏置信号，所述感觉细胞的功能就增强了。联合体育活动，感觉运动功能得到了增强。应用本发明的方法实现的增强包括，例如关节稳定性的增强，步态的改善，平衡的改善，运动学习能力的改善和运动技能增强。
所述应用于受试者的偏置信号可根据一种可测定的身体变量而调节，这种身体变量在预定体育活动期间根据受试者至少一个体节来测定。所述身体变量选自力、压力、位置、角度、速度和加速度。所述偏置信号可以和预定活动同步调节。在一种优选的实施方案中，所述偏置信号是机械或电信号。机械信号的优选位移大约是1μm至10μm。所述机械信号的优选频率在大约0Hz-100Hz的范围之内。所述电信号的电流密度优选的在大约1μA/in2至1000μA/in2范围之内。所述电信号的频率优选的在大约0-10,000Hz的范围之内。
在另外一种实施方案中，提供了一种增强受试者感觉运动功能的系统。所述系统优选的包括一种可佩带装置和一种信号发生器。至少有一种可重置的输入信号密闭在可佩带的装置中。所述信号发生器可交换的连接于信号输入装置，它包括一个电源、信号处理器和控制器。所述信号发生器是可以重置的，并其可拆除的连接于可佩带装置。所述信号处理器可包括一个用来调节信号处理器所产生的偏置信号的校准模块。所述可佩带装置优选的用力将所述信号输入装置压入受试者的皮肤表面。最后，所述可佩带装置优选的由可伸展织物或材料制成。而且，所述信号输入装置电连接于所述信号发生器。所述信号输入装置电连接的方法优选是藏在可佩带装置的结构中，因此受到其的保护。
除了增强感觉运动功能外，应用本发明的方法和装置可增强神经可塑性以及增加激素的产生。
附图简述

图1是增强感觉细胞功能方法的流程图；图2是输入部位定位方法的流程图；图3是产生偏置信号方法的流程图；图4是对增强感觉细胞功能系统的概述；图5A-5C阐述了一种增强感觉运动功能的系统；图6阐述了本发明的一种信号发生器；图7阐述了可佩带的装置，是本发明的一种实施方案；图8A-8B阐述了可佩带的装置，是本发明的另外一种事实方案；图9阐述了本发明一种信号输入装置。
所述优选实施方案详述本发明优选的实施方案提供了一种增强人类、非人类哺乳动物以及非哺乳动物，以后称为“受试者”感觉运动功能的方法和系统。感觉运动功能的增强指的是包括直接或急性的作用，例如运动关节稳定性的提高，以及更持久的作用，例如PNS或CNS中神经可塑性改变产生的结果。所述方法包括将一种偏置信号输入受试者的感觉细胞，这样就通过有效的降低它们的激活阈而增强了那些感觉细胞的功能，这时所述受试者正从事预定的体育活动。与这种优选方法联合起作用的是一种优选的装置，它包含一个可佩带的装置和其他电机械成分，它们提供了一种方便和安全的方法将所述偏置信号输入受试者。正如这里所应用的，名词“偏置信号”将用来指感觉神经元一种阈下形式的刺激，不管性质是电或机械的，其波形可以是周期性的、非周期性的、确定的或不确定的，并可包含一种或多种频率。
根据本发明的优选实施方案，所述方法和系统对于例如增强健康个体感觉运动功能是有用的，同样对于有病症、疾病和/或受伤的个体也是有用的。例如，健康个体可应用所述方法和系统来努力学习一种新的运动技能，例如体育运动所需的。在另外一个例子中，所述方法和系统可应用于感觉阈增加或有其他神经功能障碍的个体，例如由于衰老、外周神经病变或中风引起的。
图1是按照本发明的一种实施方案，增强感觉神经元功能方法的流程图。在步骤102中，定位和功能被增强以及输入偏置信号的感觉细胞相连的部位。所述定位的区域以后就指输入部位。一旦输入部位定好后，在步骤104中就产生了偏置信号。接着在步骤106中，将所述偏置信号输入输入部位，从而有效降低了输入部位相连的感觉细胞阈。
图2是显示根据步骤102定输入部位的一种实施方案的流程图。确定输入部位尤其依赖于功能被增强的感觉系统，以及偏置信号输入和感觉系统相关的感觉细胞的方法。步骤202是预备步骤，在其中采取一种识别计划来识别功能被增强的特殊感觉系统。所述识别计划在某种程度上，依赖于个体的合作。那就是，这个步骤和诊断相似，然而，个体不需要因为这里推测的增强过程而受任何疾病或病症之苦。在一种实施方案中，所述功能被增强的感觉系统是功能已经被疾病降低的系统。
在一种可供选择的实施方案中，所述被增强的感觉系统是功能正常的系统。在步骤204中，确定了将偏置信号输入目标感觉系统的最合适方法。所述最合适的输入方法依赖许多因素，例如目标感觉系统，目标感觉系统转换系统的特性，目标感觉系统的状态(例如它要么损害了，要么在某种程度上有功能障碍)，以及所测定信号的特性(例如信号的振幅和频谱)。在特定环境中合适的输入方法包括，但不局限于神经套袖、植入电极、表面电极、肌肉刺激物、腱刺激物和磁场刺激物。
一旦在步骤204中确定了最合适的输入方法，在步骤206中确定输入部位。输入部位的确定依赖与确定最合适输入方法相同的因素。然而，输入部位的确定根据特殊输入方法而变化，依赖于在其他因素中，所述目标感觉系统是否有一定程度的功能障碍，任何这种功能障碍的原因和部位，以及所应用刺激物的特性。更特殊的，如果由一些感觉细胞的自然损害引起的功能障碍存在于感觉系统中，就必须确定输入部位，这样所述偏置信号将绕过导致功能障碍的自然损害。而且，一些刺激物，例如植入电极需要侵入性的步骤，而其他例如表面电极仅需要非侵入性步骤，这些事实也是被考虑的因素。
一旦确定了所述输入部位并安装了所述输入装置，就产生了输入的所述偏置信号。图3显示了产生偏置信号方法的一种实施方案。在初始步骤302中，偏置信号被校准。那就是，决定了偏置信号的最佳水平。依赖步骤204和206的测定，就存在一种特殊形式的偏置信号，这种信号对于目标感觉系统中特定神经元的觉察能力被理想的增强了。例如，一种具有特定预先决定值参数的偏置信号引起理想的增强。校准帮助保证所产生偏置信号的特定参数将被调整而获得最佳的增强。所述偏置信号可被校准的参数是振幅、频率、位移(例如偏差)，密度、方差、频率带宽和普通的光谱特点。校准典型的可在安装好所述增强系统之前完成，并可在所述增强系统安装时间歇完成。如果在安装所述增强系统时进行校准，那么就可以理想的安装所述增强系统，因此就容易触及躯体的外部，这样就可以非-侵入性的进行校准。
在一种实施方案中，校准是通过将一种有意信号输入和增强系统产生的偏置信号联结的感觉细胞而完成。所述感觉细胞对于联合输入的反应记录为偏置信号有意参数的函数。即所述感觉细胞的反应记录正如偏置信号中有意参数的调制。应用所记录的结果，通过计算一些量来描述联合输入与感觉细胞之间的一致性，例如下面所述的交互作用系数。当一致性量最大时，所述感觉细胞的反应被最大化的增强。这种被最大化增强的反应符合有意偏置信号参数的一些值或值范围，它们可以通过，例如检查偏置信号记录而测定。因此，决定了所述偏置信号有意参数的一个最佳值或值范围。应用其他输入信号和有意参数可重复所述步骤，因此确定了一种对于具有各种参数的输入信号来说有最佳参数的偏置信号。
根据本发明的一种实施方案，通过检查交互作用系数C1使得偏置信号最优化C1=C0S2(t)‾(R(t)-R(t)‾)2‾]]>其中，C0＝S(t)R(t)其实S(t)是输入信号，R(t)是所述感觉神经元或感觉系统的输入(例如神经平均激活率信号或神经波链(spike train))，横线上面代表平均时间。S(t)和R(t)可通过任何合适的转换器测定，例如针电极可用来测定神经元的输出。使C1最大符合使输入信号S(t)和神经元输出R(t)之间的一致性最大化。特定输入信号C1的值依赖于所述偏置信号的有意参数。因此，可确定一种具有产生理想输出R(t)参数的偏置信号。
校准过程的结果可被利用，例如通过依据输入信号调制所述偏置信号或通过测定一组参数值，它们平均起来将会实现任何输入信号的增强。首先，将偏置信号的参数值对输入信号的参数值制成表格。根据输入信号的出现，测定输入信号的特定参数，而有相应参数值偏置信号的产生，是通过例如参考表格的结果。根据这种方法，为了输入信号调制偏置信号或使其最优化。其次，计算会使大多数信号获得最佳增强的单组参数值，并用其产生每次输入的偏置信号。
在所述输入装置校准和安装后，在一种实施方案中，探测到一种神经元的输入信号。正如联合图4所解释的，增强感觉神经元功能系统的一种实施方案包括信号探测能力，例如转换器和信号处理器。因此，步骤304中，应用信号探测能力探测到了神经元的输入信号。
一旦在步骤304中发现了输入信号，偏置信号就在步骤306中产生了。正如上面对于校准过程的解释，所述偏置信号既含有依赖每个输入信号特定参数调制的参数，也含有恒定、非调制的参数组，设计所述参数组是为了适应大多数输入信号，最优的增强感觉细胞的功能。如果应用一种含有非调制组参数的偏置信号，那么就应用稍微简单一点的输入系统。总而言之，所应用偏置信号的特性，是调制或非调制的，依赖于所增强感觉系统的特性。一旦产生了所述偏置信号，就在106步骤中将它输入神经元。
在上面所述的实施方案中，偏置信号仅仅是在为了响应神经元输入信号的发现而产生的。在另外一种实施方案中，在输入装置被校准和安装后，就连续产生偏置信号并输入神经元。那就是，输入信号不需要被发现。在根据这种实施方案的方法中，所述偏置信号是调制或非调制的。如果所述偏置信号是调制的，那么所述连续产生的偏置信号也是调制的，正如上所述，这时就探测到了输入信号。如果在这种实施方案中应用一种非调制的偏置信号，那么可应用一种简化的输入系统。正如上面所讨论的，应用一种调制偏置信号还是非调制偏置信号，除其他因素外，尤其依赖于被增强系统的本性。
在另外一种实施方案中，应用了一种分布增强系统。在这种实施方案中，上面描述的增强过程被修改，这样就产生了一种偏置信号，并在许多部位输入神经元，从而刺激了一批感觉细胞，因此产生了一种分布增强作用。在这种分布增强系统中，正如上所述，可应用一种连续或非连续，调制或非调制的偏置信号。例如，如果所要增强的是尿道的感觉功能，偏置信号将会被输入到膀胱周围的许多分布点，这样就获得了增强的充盈感觉。
图4显示了一种增强系统400的实施方案，它是用来实施所述增强感觉神经元功能的方法。增强系统400包括一个转换器402、一个信号处理器404、一个输入装置408和控制器410。增强系统400操作电信号。感觉细胞的输入信号典型的通过和外界接触而发起，这种接触通常不是以电信号的形式。输入信号的发起可通过，例如触摸、体节的移动、声波或光。转换器402的一个功能就是探察输入信号的初始接触，并通常将这种接触传送至增强系统400并特殊的至信号处理器404。转换器402的另外一个功能就是将输入信号初始接触以不为增强400系统所用的形式输入信号。转换器402所用的机制依赖目标感觉系统。例如，如果听觉系统是所要增强的目标，转换器402可采取刺激电极的形式或一系列刺激电极排列在耳朵周围。另外一个例子，如果本体感觉系统是所要增强的目标，转换器402就是一个腱刺激器，通过压电转换器实施，经弹性带安装或连接于腱或亲本肌肉，它们与功能被增强的感觉细胞相关联。另外一个例子，如果振动或触压觉系统是所要增强的目标，转换器402就是安装或应用在包含所刺激细胞的躯体部分皮肤上的表面电极。这种电极应用柔韧的电极/皮肤连接体联结。
信号处理器404产生一种偏置信号，通过输入装置408输入所要增强的目标感觉系统。信号处理器404电连接于转换器402、输入装置408和控制器410。正如上面所讨论的，偏置信号是连续或非连续，和调制或非调制的。信号处理器404的形式依赖于所产生偏置信号的理想形式。在一种实施方案中，如果一种非连续、调制偏置信号是理想的，信号处理器404优选的包括信号探测能力和查表能力，用来存储偏置信号的参数值。在另外一种实施方案中，如果一种恒定、非调制偏置信号是理想的，信号处理器404不一定需要信号探测能力和查表能力。在一种实施方案中，信号处理器械404是一种特殊的功能IC或一种普通的微处理器，它优选是小、重量轻和可携带的。进而，信号处理器404优选的包括信号条件形成和数据获得能力。在一种实施方案中，一种PCMCLA芯片或卡用作信号处理器404。
信号处理器404还包括校准模块406。校准模块使得可以调整信号处理器404产生的偏置信号。例如，为了最优的增强，信号处理器404适应从转换器获得的特殊信号而产生了具有预定参数(例如，预定振幅和频率)的偏置信号。如果这些偏置信号的预定参数没有正确的调整，所述偏置信号将不会优选增强目标感觉系统的功能。校准模块406使得这些预定参数可以被调整，从而产生一种优选的偏置信号。校准典型的在安装增强系统400之前完成，并在增强系统400安装时间歇实施。如果在安装增强系统400时进行校准，那么安装信号处理器404是理想的，因此在体外它是可触及的，所以可非侵入性的完成校准。在另外一种可供选择的实施方案中，信号处理器404具有远距离访问能力，使得可非侵入性的进行校准，不管信号处理器是否可从体外触及。
输入装置408将信号处理器404产生的偏置信号传输到目标感觉系统。依赖于目标感觉系统是什么，输入装置408有上述的许多种形式。在特定的环境中合适的输入装置包括，神经套、植入电极、表面电极、肌肉刺激、腱刺激和磁场刺激。输入装置408将所述偏置信号传输到目标感觉系统的方式依赖于输入装置408和所述目标感觉系统的形式。例如，当尿道是目标感觉系统时，神经套或植入电极是适合应用的，并且典型的是通过手术植入的，将所述偏置信号传输至所述系统的感觉部分。在另一方面，肌肉或腱刺激更适合机械的刺激本体感觉系统。这种刺激通过振动与所述系统相关的肌肉或腱刺激所述本体感觉系统，例如关节周围的肌肉。肌肉或腱可非侵入性的应用，例如通过一种弹力带。在一种实施方案中，当所述目标感觉系统是振动或触压觉系统时，表面电极为基础的系统用作输入装置408。特殊的，一种手套电极，短袜电极和袖电极，以名字ELECTRO-MESH[TM]出售，可用作输入装置408。将表面电极放在有意义的身体部位，例如手或脚。而且，输入装置408可以是非侵入性或侵入性应用的磁场刺激物。例如，磁场刺激物可通过将刺激物放在感觉细胞周围的躯体外来刺激皮肤感觉系统，所述感觉细胞应用弹力带刺激。磁场刺激物可非侵入性的应用，例如通过手术植入刺激物而刺激膀胱部位中的感觉神经元。
控制器410控制转换器402、信号处理器404和输入装置408之间的相互作用。控制器410的实现除了其他因素，还依赖于所需偏置信号的形式。那就是说，如果一种非-连续，调制的偏置信号是理想的，就可以应用微处理器实现控制器410。在一种简单的实施方案中，当一种连续，非调制的偏置信号是理想的时，可应用一种简单激活增强信号的开关实现控制器410。作为选择，信号处理器404可以是充足的，这样控制器410对于这种实施方案来说就不是必要的。仅仅作为一个实例，控制器410包含具有合适程序的微处理器，或任何数字控制器。在一种实施方案中，控制器410通过先前提到的PCMCIA芯片或卡实现。
所述偏置信号的特性和振幅根据其所应用的感觉细胞种类而控制。典型的应用于其他类型受伤治疗(止痛、骨愈合)的重复波形、脉冲或DC信号通常在所述实施过程发明中是不用的，因为感觉细胞会适应简单的确定信号，所以经过一段时间会降低或消除这种信号的作用。然而，根据本发明，非确定噪音信号，例如随机、非定期噪音信号或噪音信号的记录重复是优选应用的，这样感觉细胞在噪音信号应用的延长期间就不会适应它，这种应用在体育训练中出现。
包含受偏置信号影响神经元的感觉细胞部分见于人体不同的深度，使得特定感觉细胞和信号输入装置之间存在不同的信号传递过滤特性。在一种优选的实施方案中，所述偏置信号可与其他类型信号结合克服这个问题。例如一种线性调频脉冲信号可通过将噪音信号覆盖扫频信号而形成，后者通常扫过一种信号频率范围。可调制这种结合信号使得可以放大频率范围，它通常因为在体内传递而衰减。因此，所述信号因为预期的衰减而在皮肤表面水平获得补偿，这会在其到达目标感觉细胞之前发生。这种技术也用来减少测定一种有效信号所需花费的力气，因为它会包含所有理想的频率范围。
本发明的另外一种方法包括通过将外部产生的偏置信号应用于感觉细胞部位而增强各种神经生理功能，正如以上所述，这时受试者正进行一项预定的体育活动。通过本发明的方法所增强的神经生理功能包括，例如肢体位置觉、生长激素的释放增加、增强周围神经可塑性变化和增强中枢，包括皮层神经可塑性变化。
除了其他因素，大多数体育训练方法是用来促使运动学习的，例如获得新的运动技能或重新获得因为受伤或疾病而丧失的运动技能。为了实现先前提及的感觉运动功能增强，当受试者进行一项特殊的体育活动时，将偏置信号应用于涉及特殊体育活动的感觉细胞，从而降低这种细胞被活动产生的外来刺激激活的阈值。通过使得所述感觉细胞更敏感，增加为产生任何给定量外部刺激的产生动作电位数量，从而提高活动产生的运动学习的率和/或质量。
四肢的协调运动，例如需要来自大脑的递减意向性信号、肌肉收缩、四肢运动之间的精细作用，以及与环境的相互作用。这种紧密的控制部分依赖于来自运动中四肢的机械特性感觉反馈。躯体感觉信息，例如来自足底的触觉信息和来自膝关节的本体感觉信息，明显对于正常步态和更剧烈的活动，例如跳和登来说是重要的。本发明的方法能有效的提高来自机械性刺激感受器的协调感觉信息，这些感受器在四肢运动时涉及肢体位置觉。这种在运动时的附加信息内容为增强感觉运动控制提供了一种方法。这种增强导使得平衡增强、正确的步态并通过例如避免关节过伸而预防受伤。
在本发明的一种实施方案中，一种偏置信号在训练期间被提供给大量参与维持受试者关节稳定的结构，从而提高受试者关节感觉和增强稳定的反馈。例如至少一种输入装置，例如电极可放在关节上或其附近，这样就刺激了韧带中或附近的感觉细胞，关节囊和半月板。提供所述偏置信号，使其水平低于和所述结构相关感觉细胞的感觉阈，同样低于皮肤痛阈。
在另外一种实施方案中，可将所述偏置信号提供给至少两种维持关节稳定性的结构，并在关节的相对面，这样这些结构中包含的感觉细胞的性能就得到了增强。优选的，对关节或邻近关节以及关节相对面上至少两种不同的拮抗肌提供偏置信号，所述拮抗肌的作用是决定关节的相对弯曲和伸直。
可同时为每个结构提供偏置信号，或者零星的发生于每个结构。优选的，将所述偏置信号重复的提供给每个结构，例如重复偏置信号，这样所述偏置信号就同时提供给每个结构，或重复它，这样所述偏置信号就零星的提供给每个结构许多次。
特殊的偏置信号范围根据本发明可应用于特殊类型的偏置信号。例如，电信号优选的以大约1μA/in2至1000μA/in2的电流密度范围，以及大约0Hz至1000Hz的频率应用在受试者皮肤表面。机械信号优选的在皮肤表面有大约1μm-10μm的位移，频率范围在大约0Hz至1000Hz。机械信号可通过在皮肤表面提供机械传动器而被遥控，所述传动器接受从遥远的发射器械产生的波形信号，并将这些信号转换为机械信号。在无线系统中，电信号也可以从遥远的发射器传递至电极，后者将电信号应用于受试者。所有偏置信号优选的被设计为复杂的有益和/或有害的样式。
天然存在的生长激素，作为另外一个实例，在人类中由许多腺体释放。这些激素是人体适应活动中的变化而改变肌肉和骨骼结构系统的一部分。例如，锻炼使得肌肉体积的增加部分是由体内循环生长激素量的增加而导致的。近来研究已经发现，来自外周的传入信号，特别是那些来自肌肉的，促进了来自垂体特殊类型生长激素的释放(McCall等，2000)。根据本发明，在体育活动时，通过将应用偏置信号降低感觉细胞的阈值使得感觉反馈神经元更具活性。结果是，传入通信增加了，这导致了大脑中神经可塑性的变化。例如，适应活动增加生长激素释放的来自肌梭的感觉信息增加了。这对于那些个体尤其有益，例如力量训练者，在外伤或长时间不活动后努力重新获得肌肉体积和骨骼完整的。在一些情况中，生长激素释放的增加可足以消除生长激素替代疗法和生长激素补充的需要。
外周感觉运动通路的联络和效率是获得新运动技能的表现。那就是，训练和练习的主要结果就是产生这些新的通路。实际上，甚至力量的增加是由于肌肉质量的增加同样也是因为神经系统的变化，尤其在力量形成的早期。近来的研究已经表明传入活动促进了新突触的产生(“突触发生”)，周围神经可塑性一种潜在的神经生理过程(Wong等，2000)。根据本发明的方法将偏置信号应用于输入区域增加了来自外周的富含信息的感觉通信，并驱动了外周神经可塑性的变化。力量训练的普通概念就是它仅仅包括发达的肌肉，神经系统不作考虑。实际上，神经系统因素对于肌肉力量的发展和维持是主要的。在力量训练的初始阶段，肌肉质量不明显增加，但是作为神经肌肉的学习过程来说，力量是增加的。通过根据本发明的方法将偏置信号应用于输入区域，完成这个过程的时间明显的缩短，这是通过降低了在力量训练这一阶段期间涉及的感觉细胞的阈值。结果是，来自外周富含信息的通信驱动了外周的神经可塑性，除了其他因素增加了肌肉质量形成率。
根据本发明进行的力量训练对于增加人类肢体交换力量的变化也是有效的，例如手臂和腿。力量训练研究已显示，当仅对一侧肢体进行力量训练时，未训练的肢体的力量也增加一定程度。因此，如果一侧肢体因为石膏或支具制动时，可应用本发明的方法增加制动肢体的力量，通过在对对侧肢体进行力量训练时降低其中感觉细胞的阈值而实现。
许多体育训练项目是为了改善平衡，这在身体从一侧迅速转向另一侧时是必要的。增加平衡训练包括长时间重复侧侧运动来提高运动学习，从而使平衡增加。而且，结合这种侧侧训练，本发明包括在训练期间降低所作用的感觉细胞阈值而获得更迅速增加的平衡。
此外，新运动技能的正常获得和在受伤，例如中风后，重新获得运动技能的过程，依赖于整个感觉运动皮质新连接的消除和建立。新近的研究已经发现外周感觉活动是大脑中这些有益的神经可塑性变化潜在的驱动之一(McKay等，2002)。根据本发明的方法将偏置信号应用于输入区域也增加了输入通信，因此加速了运动技能的进步。
图5A-5C阐述了根据本发明的方法应用输入信号的一种优选系统，如在体育训练中的应用。所述系统包含一个下肢外套500，从使用者的腰部延伸至双腿。一条束带502在腰部束紧外套，而在使用者脚下延伸的足带504在下体运动时紧紧将外套束在身体上。足带优选的包括氯丁二烯橡胶或其他已知的弹性材料。外套500优选包括大量放置在外套500腰部周围的束带506。束带506的松端包拢带502，并通过Velcro或其他已知固定装置连接于外套500上，从而有效的形成能将带502牢牢保持在腰部水平的带-环。
外套500是设计用来在膝或膝以下应用输入信号的，外套的腿部有罩子508，它使输入装置510被放置在和膝、小腿和/或下肢肌肉相关的选择性部位，而同时又保持在外套500中。外罩511夹紧外套，并夹到输入装置510上，这样牢牢将输入装置510固定在原位。因此，实际上信号输入装置510可根据各种不同应用的需要放置在外套的任何部位，来适应受试者的解剖构造。为了使外套500适合使用者，将输入装置510首先放置在与特殊肌肉、关节等相关的使用者皮肤上。接着仔细将外套500穿上覆盖输入装置510，外罩511夹过外套500将输入装置510固定在原位。外套500优选的是由氯丁二烯橡胶或任何已知的可伸展材料制成，这使得所述外套紧密的配合受试者，牢牢的将输入装置510固定于受试者的皮肤，从而防止在锻炼的长时间运动期间输入装置510的移位。
电缆512将输入装置510电连接于信号发生器514。信号发生器514为外套内表面上的输入装置510提供了能量，这样电极位置的变化可在输入装置510的区域中调整。电缆512优选的绑在外套500上，这样就没有松的电缆阻止身体运动。在一种优选的实施方案中，从信号发生器514延伸出来的电缆512绑在外套500的横袋516中。电缆512延伸通过袋516进入导管520，后者沿着外套500的腿部分向下延伸。导管520分支进入膝水平的多个导管，这样配合输入装置510放置在小腿及周围的各种位置上。输入装置510可沿着电缆512的长度连接在任何位置。一种由塑料或相似材料制成的电缆导标522围绕导管520，这样就维持了导管520进入袋516的开口。由电缆导标522维持的导管开口使得电缆512十分简单的插入和抽出导管520的全长。
电缆512优选足够长，使控制器514从带502的侧面滑入带502的背面。因此，信号发生器514可被重置在沿着带502的各个部位，这样就不会限制特殊锻炼所需的运动。信号发生器514也可佩带在其他部位或手拿着。通常，信号发生器514的放置依赖于所稳定关节的部位，受试者的舒适度和/或运动方便而确定。为了去除电缆512，信号发生器514可包含一个或多个无线发送器，有效的将信号传送至信号发生器514和/或输入装置510。
如图6所示，信号发生器514包含一个信号处理器404、控制器410、控制表盘606、显示器608、金属试样610和一个红外线端口612。显示器608显示了对于使用者或临床医生来说有意义的图象信息，例如电流刺激图、剩余电池寿命、刺激水平、激活通道、错误等等。红外线端口612(无线或有线)使得连接于计算机工作站，从而可以下载定制刺激图案和波形。金属试样610确保了合适的控制器功能。控制表盘606有效的变化了提供给信号输入装置510杂音信号的振幅，这样将所述信号维持在目标感觉细胞的阈下水平，同样也在皮肤阈下水平。每个信号输入装置510电流密度通过电流振幅和电极大小确定。所述电流密度必须维持在可接受的范围之内。如果是电刺激，通道是互相电绝缘的，或共享一个普通的地线。
输入装置510可通过皮肤将输入信号应用到和关节定位相关的结构。正如先前指出的，所述外套中的输入装置510可以是表面电极、肌肉刺激物、腱刺激物和磁场刺激物，振动刺激物，例如小型电磁旋转发动机或平板发动机(例如薄饼发动机)，压电致动器、铁磁流体磁致动器或电流变致动器或其他已知的信号输入装置。所述信号输入装置合适大小和排列，从而将刺激局限在理想的结构中。例如，膝电极和致动器的大小合适，以致不会妨碍和限制运动，并将刺激(目标)限制在有意的感觉神经元。信号发生器514设计为可变化信号的密度和时间。例如，当不止应用一个输入装置510时，信号的部位和极性就是变化的。相似的，刺激可同时发生在每一个输入装置510，或零星发生在每个输入装置510之间。刺激的能量和频率也可被控制。所述信号处在一个低于和各种对关节稳定起作用的结构相关的感觉细胞感觉阈的水平。因此，所述信号低于激活那些结构中感觉细胞所需的水平。
由信号发生器514提供的信号水平也足以刺激不直接参与关节稳定的结构中的其他细胞。例如，皮肤中的感觉细胞感知到一种通过放置在皮肤上的输入装置510所提供的信号，但其水平仍低于刺激所述结构感觉细胞所需的阈值，例如皮肤下的绳肌腱，它与膝关节的稳定性相关。这种低水平的信号描述于Collins等，美国专利第5,782,873号。
在另外一个优选的实施方案中，提供了一种将信号输入装置510与受试者皮肤接触的结构700，如图7所示。许多臂704从中轴708延伸出来，当正确佩带结构700时，所述轴放在重要关节的对面。紧挨着中轴708的臂704部分由一种可伸展的材料制成，例如橡胶。臂704优选的偏成一定角度，这样当结构700放在肢体时，它就牢牢连接于腿。臂704也包括许多放置的输入装置510，这样当结构700正确放置在四肢时，输入装置510放在腿的部位，在那儿根据本发明的方法应用所述偏置信号。
至少有一个臂704包含电缆输出口706，它电连接于每一个输入装置510。输出口706和电缆512的电连接器702配套，这样当电缆512的另一端连接到信号发生器514时，在信号发生器514和输入装置510之间就建立了电连接。电缆512优选的由可伸展并且应力抵抗的材料制成，从而降低了电缆512在使用期间从输出口706或信号发生器514脱离。
在本发明的另一方面，提供了一种保护关节的结构800，正如图8A-8B所示，在膝关节上，有大量输入装置510，并优选的将一个信号发生器514包含进去或置于其上。放置输入装置510这样连接合适的肌肉和关节的组合，根据本发明的方法将偏置信号应用于上。关节结构800优选的设计为包绕关节，并通过Velcro或其他已知的固定装置固定自己。作为选择，关节结构800可被设计为滑上和滑下关节。关节结构800优选的是由织物制成，但也可以由塑料、橡胶或其他材料制成，只要至少一部分所述结构是由弹性材料制成的，这使得输入装置510在关节屈曲和伸展的时候保持在原位。正如所述，结构800的隆起部分802是由较厚的材料制成，能够辅助支撑关节。结构800的较薄部分804是放在关节的上方，这样使得关节屈曲时不移动输入装置510。
在本发明的另一方面，提供了一种电极敷料器900，正如图9所示，它提供了一种方法，定制了信号输入装置510(例如皮肤表面电极)的位置或之间的距离，这种装置是为接受本发明治疗的受试者设计的。易弯曲的电传导层902部分，例如传导橡胶，提供了一种金属线908和信号输入装置510之间的电传导装置。在所述结构的外表面覆盖和围绕电传导层902的是非传导材料904。这两层传导层902和非传导材料904永远粘贴在一起。同样在它的内表面或皮肤表面覆盖传导层902的是非传导膜906，它是可移动的粘贴于传导层902。通过去除非传导膜906，传导层902的内表面就暴露了，使得信号输入装置510固定于传导层902。非传导膜906以一定的方式划痕或分割，使得部分非传导膜906而不是这个膜被去除。应用这种方法，在使用过程中所述传导层902的绝大部分保持被非传导膜906覆盖。信号输入装置510由一种薄的、电传导材料制成，例如水凝胶，为传导层902和受试者皮肤之间提供了电界面。
用来实施本发明方法的装置相对于用来提高感知能力(例如运动学习)或治疗损伤以及从损伤中恢复的装置来说是独一无二的。在这种已知的装置中，将电极放置在支架或外罩上，并包含自由解栓的电导体，所有这些将抑制有效体育锻炼进行时所需的运动。
虽然以上所阐述的实施方案涉及的是pant、关节稳定器和支架，这里所应用的可佩带装置指的是任何能够将输入装置510固定在理想部位的结构。
这里所述的实施方案已经显示为一种下体可佩带的装置，这仅仅为了阐述目的。相似的实施方案，为上体包括个体臂和躯干设计的能将信号输入装置固定，也在本发明的精神和范围之内。根据本发明的方法，上体可佩带装置可与下体可佩带装置结合起来，使输入装置同时沿着上下体放置和工作。
虽然已经详细叙述了本发明，但应该明白可以根据所附权利要求的限定不背离计划的范围做各种变化、替代和更改。
权利要求
1.一种增强受试者感觉运动功能的方法，所述方法包括以下步骤当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中，其中输入所述至少一种偏置信号增强了所述感觉细胞的功能。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述感觉运动功能是增强的关节稳定性。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述感觉运动功能是改善的步态。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述感觉运动功能是改善的平衡。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述感觉运动功能是改善的运动学习。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述感觉运动功能是提高的运动技巧。
7.如权利要求2-6中任何一项所述的方法，其中，所述感觉运动功能是通过改善神经可塑性而增强的。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述神经可塑性是中枢神经可塑性。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述神经可塑性是外周神经可塑性。
10.如权利要求2-6中任何一项所述的方法，其中，所述感觉运动功能是通过增加生长激素的释放而增强的。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏置信号和所述预定的体育活动同步调节。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述应用于受试者的偏置信号可根据一种可测定的身体变量而调节，这种身体变量在预定体育活动期间根据受试者至少一个体节来测定，其中所述身体变量选自力、压力、位置、角度、速度和加速度。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏置信号是位移大约是1μm至10μm的机械信号。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏置信号是包括一种或多种频率的机械信号，其范围大约为0Hz-1000Hz。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏置信号是电流密度在大约1μA/in2至1000μA/in2范围之内的电信号。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏置信号是包括一种或多种频率的电信号，范围大约为0Hz-10,000Hz。
17.一种增强受试者感觉运动功能的方法，所述方法包括以下步骤当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中，其中输入所述至少一种偏置信号增强了所述感觉细胞的功能，并且所述至少一种偏置信号由增强感觉运动功能的系统产生和输入，所述系统包括一种可佩带装置，至少有一个可重置的信号输入装置密闭在其中，以及一个信号发生器可交换的连接于至少一个信号输入装置，从而产生所述偏置信号。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述感觉运动功能是增强的关节稳定性。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述感觉运动功能是改善的步态。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述感觉运动功能是改善的平衡。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述感觉运动功能是改善的运动学习。
22.如权利要求17所述的方法，其中，所述感觉运动功能是提高的运动技巧。
23.如权利要求18-22中任何一项所述的方法，其中，所述感觉运动功能是通过改善神经可塑性而增强的。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述神经可塑性是中枢神经可塑性。
25.如权利要求23所述的方法，其中，所述神经可塑性是外周神经可塑性。
26.如权利要求18-22中任何一项所述的方法，其中，所述感觉运动功能是通过增加生长激素的释放而增强的。
27.如权利要求17所述的方法，其中，所述偏置信号和所述预定的体育活动同步调节。
28.如权利要求17所述的方法，其中，所述应用于受试者的偏置信号可根据一种可测定的身体变量而调节，这种身体变量在预定体育活动期间根据受试者至少一个体节来测定。所述身体变量选自力、压力、位置、角度、速度和加速度。
29.如权利要求17所述的方法，其中，所述偏置信号是位移大约是1μm至10μm机械信号。
30.如权利要求17所述的方法，其中，所述偏置信号是包括一种或多种频率的机械信号，其范围大约为0Hz-1000Hz。
31.如权利要求17所述的方法，其中，所述偏置信号是电流密度在大约1μA/in2至1000μA/in2范围之内的电信号。
32.如权利要求17所述的方法，其中，所述偏置信号是包括一种或多种频率的电信号，范围大约为0Hz-10,000Hz。
33.一种增强受试者感觉运动功能的系统，所述系统包括一个可佩带装置，至少一个信号输入装置密闭在其中，其中，所述至少一个信号输入装置可重置的放在可佩带装置上；以及一个产生偏置信号的信号发生器，其中，所述信号发生器可交换的连接于所述信号输入装置。
34.如权利要求33所述的系统，其中，所述信号发生器包括一个电源、一个信号处理器和一个控制器。
35.如权利要求34所述的系统，其中，所述信号处理器可包括一个用来调节信号处理器所产生的偏置信号的校准模块。
36.如权利要求33所述的系统，其中，所述可佩带装置用力将所述信号输入装置压入受试者的皮肤表面。
37.如权利要求33所述的系统，其中，所述可佩带装置是由可伸展织物制成。
38.如权利要求33所述的系统，其中，所述信号发生器是可重置的并可交换的连接于可佩带装置。
39.如权利要求33所述的系统，其中，所述信号输入装置直接电连接于所述信号发生器。
40.如权利要求33所述的系统，其中，所述信号发生器通过一个电导体可交换的连接于所述信号输入装置，至少一部分所述电导体被密闭在所述可佩带装置中，并受可佩带装置的保护。
41.一种增强受试者神经可塑性的方法，所述方法包括以下步骤当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中，其中，输入所述至少一种偏置信号增强了所述感觉细胞的功能。
42.如权利要求41所述的方法，其中，所述神经可塑性是中枢神经可塑性。
43.如权利要求41所述的方法，其中，所述神经可塑性是外周神经可塑性。
44.一种增强受试者神经可塑性的方法，所述方法包括以下步骤当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中，其中，输入所述至少一种偏置信号增强了所述感觉细胞的功能，并且所述至少一种偏置信号由增强感觉运动功能的系统产生和输入，所述系统包括一种可佩带装置，至少有一个可重置的信号输入装置密闭在其中，以及一个信号发生器可交换的连接于至少一个信号输入装置。
45.如权利要求44所述的方法，其中，所述神经可塑性是中枢神经可塑性。
46.如权利要求44所述的方法，其中，所述神经可塑性是外周神经可塑性。
47.一种增加受试者生长激素释放的方法，所述方法包括以下步骤当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中，其中输入所述至少一种偏置信号增强了所述感觉细胞的功能。
48.一种增加受试者生长激素释放的方法，包括当受试者在进行一种预定的体育活动时，将至少一种偏置信号输入受试者的至少一个感觉细胞部位，这种体育活动应用了感觉细胞区域中的感觉细胞并包含在被增强的感觉运动功能中，其中，输入所述至少一种偏置信号增强了所述感觉细胞的功能，并且所述至少一种偏置信号由增强感觉运动功能的系统产生和输入，所述系统包括一种可佩带装置，至少有一个可重置的信号输入装置密闭在其中，以及一个信号发生器可交换的连接于至少一个信号输入装置。
全文摘要
本发明描述了增强神经生理功能的方法和装置，例如感觉运动支配和神经可塑性。一种优选的方法包括将偏置信号输入受试者的感觉细胞，从而增强了细胞的感觉功能，而受试者进行预定的体育活动。用来实施本发明的系统包括一种可佩带的装置(500)，至少有一种可重置的信号输入装置(510)和一种信号发生器(514)装于其中，后者可交换的连接与前者。
文档编号A61N1/05GK1665563SQ03815872
公开日2005年9月7日 申请日期2003年5月5日 优先权日2002年5月3日
发明者J·D·哈里, S·J·科勒辛斯基, J·B·尼米, G·R·德劳特, D·阿尔格里姆, J·J·科林斯 申请人:艾弗伦特股份有限公司