專利名稱：一種植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種神經肌肉刺激恢復系統(tǒng)，尤其涉及一種由植入肌體內部的電 刺激發(fā)生器和體外程序控制系統(tǒng)結合的神經肌肉刺激恢復系統(tǒng)。
背景技術：
人體的諸多功能是通過神經肌肉動作電位傳導的興奮過程，也即生物電傳導 的過程。當神經肌肉損傷或病變導致生物電的信號傳導出現(xiàn)異常時，可以表現(xiàn)出不 妥的癥狀，傳導過快、過慢或傳導喪失將引發(fā)肌肉萎縮、疼痛、胃腸功能紊亂不同 的疾病。當外傷或其他病因引發(fā)生物電傳導異常后，人們開始使用電刺激設備進行治 療。現(xiàn)有的做法是將電刺激器的電極植入到包括大腦、心臟、胃等器官，產生刺激 波以替代生物電對神經肌肉進行刺激。但現(xiàn)有的電刺激器輸出的刺激波的波形基本 固定，因此無法滿足個體差異的需要。而且現(xiàn)有的電刺激器也缺少對刺激波參數(shù)輸 出后狀態(tài)的在線監(jiān)控，無法對實際的刺激波參數(shù)信息在線反饋，因此也無法根據(jù)肌 體的實際情況調整刺激波的相關參數(shù)和指令。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種植入式自動反饋調整的神經肌肉 電刺激系統(tǒng)，能準確地反饋植入參數(shù)的執(zhí)行情況，更好的發(fā)揮植入電極特異性參數(shù) 的治療效果，真正實現(xiàn)個體化功能的改善和修復，提高植入裝置的可靠性、有效性 和可控制性。本發(fā)明的技術方案為本發(fā)明提供了 一種植入式自動反饋調整的神經肌肉電 刺激系統(tǒng)，包括體外控制器模塊，包括一指令編輯單元，編輯和/或修改預設刺激波的參數(shù)和指令，該預設刺激波包括脈沖波、方波、三角波的選擇，其頻率調節(jié)范圍為0.2-110HZ,占空比為 1-99% ，峰值電壓的最大調節(jié)范圍為1 ~ 100VPP;一第一微處理器單元，連接該指令編輯單元，接收其發(fā)送的預設刺激波 的參數(shù)和指令，將該些參數(shù)和指令打包成符合傳輸格式的數(shù)據(jù)；一第一傳輸單元，連接該第一微處理器單元，與該第一微處理器單元進行數(shù)據(jù)交換，與該體內發(fā)生器模塊相互傳輸數(shù)據(jù)； 體內發(fā)生器模塊，植入在人體內部，包括一第二傳輸單元，接收該體外控制器模塊發(fā)出的包含預設刺激波參數(shù)和指令的數(shù)據(jù)；一第二微處理器單元，進一步包括一刺激波發(fā)生單元，連接該第二傳輸單元，接收預設刺激波的參數(shù) 和指令，并基于該些參數(shù)和指令產生相應的實際刺激波信號； 一模型參數(shù)對比單元與一自適應調整單元； 一工作波形驅動器單元，連接該第二微處理器單元，驅動來自該第二微 處理器單元的實際刺激波信號；一功率放大器單元，連接該工作波形驅動器單元，對該實際刺激波信號 進行電能放大；一功率控制單元和一饋電電路單元，連接該第二微處理器單元和該功率 放大器單元，基于該第二微處理器單元的時序控制該功率放大器單元所需的電能；一輸出電路單元，連接該功率放大器單元，該單元設有輸出電極，通過 該輸出電極將電能放大后的實際刺激波信號作用于負載以構成刺激電場；一監(jiān)測電路單元，連接該輸出電路單元，實時監(jiān)測刺激波作用于負載的 動態(tài)響應信號；一模數(shù)轉換器單元，連接該監(jiān)測電路單元，將該動態(tài)響應信號轉換成數(shù) 字信號并形成相應的數(shù)學模型；其中，該第二微處理器單元中的模型參數(shù)對比單元將該監(jiān)測到的動態(tài)響 應信號的數(shù)學模型與預設刺激波參數(shù)和指令的預置響應數(shù)學模型進行分析參比；以 及該自適應調整單元根據(jù)該模型參數(shù)對比單元的分析參比結果在預設的安全工作范圍內對實際刺激波參數(shù)和指令進行自動修正，以使實際刺激波與預設刺激 波相一致。上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該體外控制器模塊還包括一第一數(shù)據(jù)存儲器，記錄預設刺激波參數(shù)和指令的修改過程和備份數(shù)據(jù)。 上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該體外控制器模塊還包括一外設通訊單元，與一終端計算機接駁，將數(shù)據(jù)傳輸至該終端計算機； 一時鐘基準單元，對該體外控制器模塊與該終端計算機進行時間同步。 上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該體外控制器模 塊還包括一顯示單元，顯示該預設刺激波的參數(shù)和指令。上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該第一傳輸單元 和第二傳輸單元由RF基帶單元和藍牙模塊構成。上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該體內發(fā)生器模 塊還包括一第二數(shù)據(jù)存儲器，存儲來自該體外控制器模塊的預設刺激波參數(shù)和指令及 其預置響應數(shù)學模型、監(jiān)測到的動態(tài)響應信號的數(shù)學模型以及對實際刺激波的自動 修正操作。上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該功率放大器單 元是推挽驅動單點回路式放大器，組合成雙極和/或多單極的輸出電極形式。上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，刺激波參數(shù)包括 刺激波信號的幅值和時域。上述的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，其中，該預設刺激波預 防肌肉萎縮，治療周圍神經損傷和/或減輕疼痛。本發(fā)明對比現(xiàn)有技術有如下的有益效果本發(fā)明通過可植入肌體內的產生電 刺激的體內發(fā)生器和控制刺激波參數(shù)和指令的體外控制器的結合，實現(xiàn)在線的體內 參數(shù)的有效監(jiān)測、反饋和調整，同時完成體外控制器中信號的傳輸。本發(fā)明更好地 發(fā)揮植入電極特異性參數(shù)的治療效果，改善神經麻痹，促進神經再生，防止肌肉萎縮，減輕疼痛，真正實現(xiàn)個體化功能的改善和修復，提高植入裝置的可靠性、有效 性和可控制性。
圖1是本發(fā)明的體外控制器模塊的一個較佳實施例的框圖。圖2是本發(fā)明的體內發(fā)生器模塊的一個較佳實施例的框圖。圖3是本發(fā)明的體外控制器模塊的運行流程圖。圖4是本發(fā)明的體內發(fā)生器模塊的運行流程圖。圖5是本發(fā)明的體內發(fā)生器模塊的一個較佳實施例的電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。本發(fā)明的植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)產生可編程的有序的底 頻波束導入患者的受損神經和肌肉進行時域、幅值可控的智能刺激，達到改善患者 的肢體功能。神經肌肉電刺激系統(tǒng)是由體外控制器模塊和體內發(fā)生器模塊共同組成，首先 請參見圖1，圖1示出了體外控制器模塊的一個較佳實施例的原理。體外控制器模 塊主要由以下幾個單元組成MCU微處理器單元IO、指令編輯單元11、電源管理 單元12、顯示單元13、數(shù)據(jù)存儲器14、時鐘基準單元15、外設通訊單元16、藍 牙模塊17和2. 4G的RF基帶單元18。MCU微處理器單元10控制整個體外控制器模塊的運行。請同時參見圖3，首 先，體外控制模塊進行初始化處理，包括預設一些參數(shù)和指令等。然后，操作鍵盤 并通過指令編輯單元11編輯和/或修改預設刺激波的參數(shù)和指令，并將這些參數(shù)和 指令發(fā)送給MCU微處理器單元10，同時通過設置顯示模式來控制顯示單元13的輸 出。預設刺激波用于預防肌肉萎縮、恢復周圍神經損傷和減輕疼痛，包括脈沖波、 方波、三角波的選擇，其頻率調節(jié)范圍為0. 2-110HZ，占空比為1~99%,峰值電 壓的最大調節(jié)范圍為1 ~ 100VPP。MCU微處理器單元10判斷預設刺激波的參數(shù)是否 鎖定以及當前是否需要傳輸數(shù)據(jù)。如果參數(shù)已被鎖定且需要傳輸數(shù)據(jù)，則由MCU 微處理器單元10將參數(shù)和指令打包成符合傳輸格式的數(shù)據(jù)，并通過藍牙模塊17和2.4G的RF基帶單元18發(fā)送至植入肌體的體內發(fā)生器模塊。否則，體外控制模 塊返回鍵盤操作模式以供重新對預設刺激波參數(shù)和指令進行編輯和/或修改。體外控制器模塊的數(shù)據(jù)存儲器14有效地記錄刺激波參數(shù)和指令的修改過程和 備份數(shù)據(jù)，并通過時鐘基準單元15進行時鐘基準設置以確保系統(tǒng)的時間同步。體 外控制器模塊通過外設通訊單元16與終端計算機接駁，將數(shù)據(jù)傳輸至終端計算機， 從而在計算機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表處理以及程序方案的制定。顯示單元13將預設的刺 激波參數(shù)和指令顯示在顯示屏上供操作者參考。請參見圖2，圖2示出了體內發(fā)生器模塊的原理。體內發(fā)生器模塊主要由以下 單元組成MCU微處理器單元20、工作波形驅動器單元21、功率放大器單元22、 輸出電路單元23、功率控制單元24、饋電電路單元25、監(jiān)測電路單元26、模數(shù)轉 換器單元27、數(shù)據(jù)存儲器28、電源管理單元29、藍牙模塊30以及2.4G的RF基 帶單元31。MCU微處理器單元20控制整個體內發(fā)生器模塊的運行。請同時參見圖4，首 先體內發(fā)生器模塊進行初始化處理，再由MCU微處理器單元20的UART串口通 訊所控制的藍牙模塊30和RF基帶單元31實現(xiàn)對體外控制器模塊發(fā)送的預設刺激 波工作參數(shù)和控制指令的2.4G無線數(shù)字栽頻波的點對點鏈接，并通過藍牙模塊30 處理將數(shù)據(jù)傳送至MCU微處理器單元20完成接收刺激波工作參數(shù)和控制指令的 數(shù)據(jù)傳輸。MCU微處理器單元20—接收到來自體外控制器模塊的數(shù)據(jù)，就記錄和 備份相關的預設刺激波參數(shù)和指令執(zhí)行數(shù)據(jù)。MCU微處理器單元20又包含刺激波 發(fā)生單元201、模型參數(shù)對比單元202和自適應調整單元203。其中刺激波發(fā)生單 元201基于接收到的預設刺激波工作參數(shù)和指令生成實際的刺激波信號。工作波形 驅動器單元21對實際刺激波信號進行驅動，再由功率放大器單元22放大實際刺激請參見圖5，功率放大器單元22采用了推挽驅動單點回路式放大器(即由四 個晶體管Q3 ~ Q6組成的電路)，可方便地組合成雙極和單多極的輸出電極形式以 適應多樣化的刺激波作用。功率控制單元24和饋電電路單元25主要以DC-DC升壓方式通過MCU微處 理器單元20的時序控制提供功率放大器單元22所需的電能，并在刺激波的工作間 隙關閉電能以實現(xiàn)系統(tǒng)的低能耗功效。監(jiān)測電路單元26和模數(shù)轉換器單元27共同構成了對刺激波信號進行自適應 調正的數(shù)字預處理。當實際的刺激波作用于生物肌體時，生物肌體機理的差異或變
異造成了刺激電場所構成泄放電流響應信號的不同。監(jiān)測電路單元26實時監(jiān)測刺 激波作用于負載的動態(tài)響應電流信號，并取樣該信號經高速的模數(shù)轉換器單元27 進行數(shù)字化處理。MCU微處理器單元20中的模型參數(shù)對比單元202將監(jiān)測到的動 態(tài)響應信號的數(shù)學模型與預設刺激波的參數(shù)數(shù)據(jù)和指令的預置響應數(shù)學模型進行 分析參比，找出實際刺激波與預設刺激波之間的差異。同時數(shù)據(jù)存儲器28存儲了 上述的兩個數(shù)學模型。再由自適應調整單元203在預設的安全電壓范圍內對實際的 刺激波參數(shù)(包括幅值和時域等)修正刺激能量，自適應調整(對肌體最佳效用) 刺激波參數(shù)數(shù)據(jù)的功能特征，以使實際刺激波盡可能地與預設刺激波相一致。同時 在數(shù)據(jù)存儲器28中記錄調整的相關數(shù)據(jù)。
應理解，本發(fā)明的發(fā)明點在于在體內發(fā)生器模塊產生刺激波作用于肌體的 同時，可采集肌體對刺激波的響應信號，并根據(jù)響應信號的數(shù)學模型與刺激波的預 置數(shù)學模型比對，根據(jù)比對結果重新調整參數(shù)和指令以使實際刺激波與預設刺激波 相一致。
上述實施例是提供給本領域普通技術人員來實現(xiàn)或使用本發(fā)明的，本領域普 通技術人員可在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或 變化，因而本發(fā)明的保護范圍并不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提 到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
權利要求
1. 一種植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，包括體外控制器模塊，包括一指令編輯單元，編輯和/或修改預設刺激波的參數(shù)和指令，該預設刺激波包括脈沖波、方波、三角波的選擇，其頻率調節(jié)范圍為0.2～110HZ，占空比為1～99％，峰值電壓的最大調節(jié)范圍為1～100VPP；一第一微處理器單元，連接該指令編輯單元，接收其發(fā)送的預設刺激波的參數(shù)和指令，將該些參數(shù)和指令打包成符合傳輸格式的數(shù)據(jù)；一第一傳輸單元，連接該第一微處理器單元，與該第一微處理器單元進行數(shù)據(jù)交換，與該體內發(fā)生器模塊相互傳輸數(shù)據(jù)；體內發(fā)生器模塊，植入在人體內部，包括一第二傳輸單元，接收該體外控制器模塊發(fā)出的包含預設刺激波參數(shù)和指令的數(shù)據(jù)；一第二微處理器單元，進一步包括一刺激波發(fā)生單元，連接該第二傳輸單元，接收預設刺激波的參數(shù)和指令，并基于該些參數(shù)和指令產生相應的實際刺激波信號；一模型參數(shù)對比單元與一自適應調整單元；一工作波形驅動器單元，連接該第二微處理器單元，驅動來自該第二微處理器單元的實際刺激波信號；一功率放大器單元，連接該工作波形驅動器單元，對該實際刺激波信號進行電能放大；一功率控制單元和一饋電電路單元，連接該第二微處理器單元和該功率放大器單元，基于該第二微處理器單元的時序控制該功率放大器單元所需的電能；一輸出電路單元，連接該功率放大器單元，該單元設有輸出電極，通過該輸出電極將電能放大后的實際刺激波信號作用于負載以構成刺激電場；一監(jiān)測電路單元，連接該輸出電路單元，實時監(jiān)測刺激波作用于負載的動態(tài)響應信號；一模數(shù)轉換器單元，連接該監(jiān)測電路單元，將該動態(tài)響應信號轉換成數(shù)字信號并形成相應的數(shù)學模型；其中，該第二微處理器單元中的模型參數(shù)對比單元將該監(jiān)測到的動態(tài)響應信號的數(shù)學模型與預設刺激波參數(shù)和指令的預置響應數(shù)學模型進行分析參比；以及該自適應調整單元根據(jù)該模型參數(shù)對比單元的分析參比結果在預設的安全工作范圍內對實際刺激波參數(shù)和指令進行自動修正，以使實際刺激波與預設刺激波相一致。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種植入式自動反饋調整的神經肌肉電刺激系統(tǒng)，能準確地反饋植入參數(shù)的執(zhí)行情況，更好的發(fā)揮植入電極特異性參數(shù)的治療效果，真正實現(xiàn)個體化功能的改善和修復，提高植入裝置的可靠性、有效性和可控制性。其技術方案為本發(fā)明通過可植入肌體內的產生電刺激的體內發(fā)生器和控制刺激波參數(shù)和指令的體外控制器的結合，實現(xiàn)在線的體內參數(shù)的有效監(jiān)測、反饋和調整，同時完成體外控制器中信號的傳輸。本發(fā)明應用于神經肌肉電刺激領域。
文檔編號A61N1/05GK101244312SQ20071003765
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權日2007年2月16日
發(fā)明者梁燕莊, 王金武, 陳麗曄, 嵩 高 申請人:上海塔瑞莎健康科技有限公司;王金武