基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于穴位刺激的瘫痪肢体运动控制的方法，采用体表探测电极阵列采集健康肢体运动时的体表肌电信号，经由信号处理电路对采集到的体表肌电信号进行放大和滤波等信号处理后，通过通信信道传输给激励信号生成电路生成刺激信号，最后将所述刺激信号施加到刺入瘫痪肢体指定穴位的针状或同心圆刺激电极阵列上，最终实现瘫痪肢体的运动。本发明采用电针刺激方式，将体表刺激改变为经络穴位上的体内刺激，继承并发展了针刺疗法，具有选择性好和灵敏度高的特点，可用于因脊髓损伤、脑卒中和各类伤病造成的瘫痪病人肢体动作控制等场合。
【专利说明】基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传统医学、康复医学和电子科学的交叉领域，涉及一种瘫痪肢体运动控制方法，尤其涉及一种基于穴位刺激的瘫痪肢体运动控制方法。
【背景技术】
[0002]长期以来，针刺一直应用于瘫痪肢体功能康复。主要用手法针刺，通过提、拉、捻、转等手法，以确定时间的疗程来达到肢体康复的效果。从上世纪50年代开始，人们引入了电针技术作为对手针方法的补充，形成了一系列电针仪，并广泛应用于临床。
[0003]以电针为例，它是通过人工设计的电脉冲序列(具有不同频率、幅度、解调方式的电脉冲)来对刺入特定穴位的针灸针进行激励。现场的效果是人们可看到电针周围肌肉的颤动，无法看到肢体和谐动作的效果。
[0004]发明人十年以来研究与神经信号再生和功能重建的微电子神经桥，形成了通过桥接中断的神经通道来实现肢体神经功能再生的目标。在ZL 200510135541.6的发明专利中，提出了“微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置”，用于受损脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。这种方法的特点是以微电子方法去恢复受损神经束或神经纤维的功能，其缺点是需要手术将微电子系统植入体内，对身体有创伤。
[0005]近五年来，发明人进一步将“微电子神经桥”发明专利思想扩展为神经到肌肉与肌肉到肌肉的应用场景，形成了“微电子肌电桥”的瘫痪肢体运动功能重建方法与装置。在专利号为201210342507.6的专利中，公开了一种“基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置”，该装置利用体表电极采集健康肢体的体表肌电信号，通过放大与处理，将其施加到贴于瘫痪肢体的体表电极，实现瘫痪肢体在健康肢体带动下的协调运动，从而实现瘫痪肢体功能重建的现场效果。这种方法的优点是，无论是采集信号还是施加刺激信号都是无创伤的，但缺点是贴`在体表的大面积刺激电极的选择性差、灵敏度低(通常需要20V以上的电压才可能刺激瘫痪肢体产生动作)，难以控制瘫痪肢体产生精细动作。
[0006]在ZL 201010120386.1发明专利中，提出了“神经信号探测/激励的电极、双电极、电极及制备方法”。它以临床常用的不锈钢针作为神经信号探测和激励的电极，但在针尖以上、针柄以下的针体上涂有绝缘层，在针尖覆盖有一层生物相容性贵金属镀层或导电高分子镀层，从而实现了该针状电极具有针体绝缘和针尖导电的特性，为神经信号探测和激励提供了一种在提高抗干扰能力和选择性的同时降低阈值的神经信号探测/激励电极、双电极、电极。在ZL 201110065475.5发明专利中，提出了“一种用于体内经络信号传递特性测试的同心圆电极”，此同心圆电极尖端呈锥状，在进行信号激励与探测时，无方向性，并且电极内芯导电部分露出面积小，电极的选择性高，可以有效屏蔽外界信号干扰。
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明提供了一种操作方便、对肢体损伤小，选择性好，灵敏度高，可实现精细动作控制的基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法。[0008]技术方案:本发明的基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法，将体表探测电极固定于健康肢体体表，将刺激电极刺入瘫痪肢体指定位点，并逐渐增加刺激电极的深度，使刺激电极的针尖部位到达特定的位点，然后接通信号源，采用体表探测电极在健康肢体运动时采集得到的体表肌电信号，经信号处理电路放大、滤波、模数转换后，通过通信信道传输给激励信号生成电路，生成刺激信号，最后将刺激信号施加到刺激电极上，对肢体指定位点进行功能电刺激，实现瘫痪肢体运动。
[0009]本发明方法中，刺激电极为针状电极或具有圆锥体状针尖的同心圆电极，刺激电极的针尖导电，针体绝缘。
[0010]本发明方法中，肢体指定位点为能在刺激电压下使肢体产生功能性动作的位点。
[0011]本发明方法中，体表探测电极和刺激电极的固定位置根据瘫痪肢体所需产生的动作进行确定。
[0012]本发明方法所采用的基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制装置，由体表探测电极、信号处理电路、通信信道、激励信号生成电路和针状或同心圆刺激电极顺序连接而成，该装置可实现两种动作控制模式:实时动作控制模式和离线动作控制模式。
[0013]上述装置中，刺激电极采用在发明专利申请201010120386.1中提出的针状电极或发明专利申请201110065475.5中提出的同心圆电极。
[0014]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
目前，电针技术作为对手针针刺方法的补充，已广泛应用于临床，它是通过人工设计的电脉冲序列(具有不同频率、幅度、解调方式的电脉冲)来对刺入特定穴位的针灸针进行激励，其现场的效果是可以看到电针周围肌肉的颤动，无法实现肢体和谐动作的效果。本发明方法以电针技术为依托，以健康肢体运动时的体表肌电信号为基础，实时生成用于肢体运动控制的刺激信号，并实现瘫痪肢体在健康肢体带动下产生和谐动作的效果。而且相比于人工设计的电脉冲序列，本刺激信号包含了肌电信号的时序、空间以及活化程度的强弱关系，以此为基础的刺激信号在实现肢体动作的自由度及和谐度方面都将比人工设计的电脉冲序列有很大的提高。本发明方法结合了传统的中国针灸技术与现代的功能电刺激技术，会更有效地对瘫痪肢体的运动进行控制。[0015]目前，功能电刺激技术采用的多为体表刺激电极，使用体表刺激电极的优点是无创性，但是其缺点是由于大面积的体表电极的贴附，其选择性差、灵敏度低(通常需要20V以上的电压才能产生运动)。虽然植入式刺激电极刺激神经的选择性好，灵敏度高，但电极需要手术加以植入，使得植入式功能电刺激的应用范围大大受限。本发明方法采用的针状电极，其针尖部分导电，针体部分绝缘，使电极体与生物组织实现了电隔离，能够精确激励生物体内需要激励的部位，提高了电极的选择性。本发明方法采用的同心圆电极，其针尖部分呈圆锥体状结构，在作为刺激电极使用时，电极尖端的电场作用区域各向同性，避免了因电极尖端相对位相改变而导致的信号幅度的变化。本同心圆电极以其电极导电套筒作为参考底线，电极内芯与参考底线距离较近，能够准确定位，且针尖部分的电极内芯露出绝缘套筒的长度在0.25毫米以下，电极暴露面积适中，电极选择性高。因此本发明方法具有高选择性，高灵敏度，可实现精细动作的特性，同时是一种微创的方法，易于应用。针状电极针体上涂有绝缘层，且针尖上覆盖有生物相容性镀层，提高了电极的选择性和抗干扰能力。同心圆电极尖端呈圆锥体状，无方向性，电极内芯导电部分露出的面积小，电极选择性高。【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明方法中采用的神经信号探测/激励针状电极的结构半剖面图。
[0017]图2是图1中的神经信号探测/激励针状电极的针体部分A-A剖面视图。
[0018]图3是图1中的神经信号探测/激励针状电极的针尖部分的B-B剖面视图。
[0019]图4是本发明方法中采用的同心圆电极结构示意图。
[0020]图5是本发明方法中采用的同心圆电极尖端的纵向剖视图。
[0021]图6是本发明方法中采用瘫痪肢体运动控制装置的原理示意图。
[0022]图中有:1、针体，2、针尖，3、针柄，4、聚酰亚胺与环氧树脂复合材料绝缘层，5、羟基磷灰石绝缘层，6、生物相容贵金属镀层，7、聚吡咯导电高分子镀层，8、电极接口，9、电极针体，10、电极尖端，11、电极内芯，12、绝缘套筒，13、电极导电套筒。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例和说明书附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0024]参看图6， 对于实时控制模式，首先对肢体所需产生动作的刺激位点进行确定，找到在最小刺激电压下使肢体产生所需功能性动作的位点，然后以此位点为中心，将体表探测电极固定在健康肢体上，将图1所示的针状刺激电极或图4所示的同心圆刺激电极刺入瘫痪肢体最灵敏位点处，接通信号源，以体表探测电极采集健康肢体运动(如屈腕运动)时体表肌电信号，并送入信号处理电路。信号处理电路将采集到的体表肌电信号经过放大、滤波、模数转换后以有线或无线的数据通信方式由通信信道传输给激励信号生成电路。激励信号生成电路通过激励波形生成算法生成刺激信号，并将功率放大后的刺激信号实时施加于图1所示的针状刺激电极或图4所示的同心圆刺激电极上，结合具有微创特性的中国针灸技术，特别是电针技术，将生成的刺激信号施加到刺入瘫痪肢体指定位点的针状或同心圆刺激电极上，使瘫痪肢体肌肉收缩，产生与健康肢体相同的动作，从而达到实时控制模式下的瘫痪肢体运动控制的现场效果。
[0025]对于离线控制模式，所不同的是，信号处理电路分别将采集到的不同动作产生的体表肌电信号经由通信信道传输至激励信号生成电路中的微处理器控制电路后，将生成的刺激信号送入激励信号存储与播放电路中进行分类储存。在后续应用时，根据训练动作需要，再调用激励信号存储与播放电路中的相应动作刺激信号，施加于图1所示的针状刺激电极或图4所示的同心圆刺激电极上，使瘫痪肢体肌肉收缩并产生与健康肢体相同的动作，从而实现离线控制模式下的瘫痪肢体的和谐运动。
【权利要求】
1.一种基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法，其特征在于，该方法将体表探测电极固定于健康肢体体表，将刺激电极刺入瘫痪肢体指定位点，并逐渐增加刺激电极的深度，使所述刺激电极的针尖部位到达特定的位点，然后接通信号源，采用体表探测电极在健康肢体运动时采集得到的体表肌电信号，经信号处理电路放大、滤波、模数转换后，通过通信信道传输给激励信号生成电路，生成刺激信号，最后将所述刺激信号施加到刺激电极上，对肢体指定位点进行功能电刺激，实现瘫痪肢体运动。
2.根据权利要求1所述的基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法，其特征在于，所述刺激电极为针状电极或具有圆锥体状针尖的同心圆电极，刺激电极的针尖导电，针体绝缘。
3.根据权利要求1或2所述的基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法，其特征在于，所述肢体指定位点为能在刺激电压下使肢体产生功能性动作的位点。
4.根据权利要求1或2所述的基于穴位功能电刺激的瘫痪肢体运动控制方法，其特征在于，所述体表探测电极 和刺激电极的固定位置根据瘫痪肢体所需产生的动作进行确定。
【文档编号】A61N1/36GK103768713SQ201410034849
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】吕晓迎, 王志功, 王苏阳, 徐建, 吴明明 申请人:东南大学