一种光电组合刺激装置及方法与流程

本发明涉及医疗设备技术领域，更具体的说是涉及一种光电组合刺激装置及方法。

背景技术：

脊髓损伤是常见的一种严重致残性疾病，可直接造成病人的运动、感觉和括约肌功能障碍，严重影响病人生存生活，损伤严重者甚至导致死亡。脊髓损伤不仅给病人带来灾难性后果，而且将会给家庭、社会甚至国家带来沉重的负担。其中，由脊髓损伤造成的运动功能丧失会严重影响病人生活，致使生活不能自理，严重影响病人心理健康状况，甚至会影响生命。

目前脊髓损伤修复及功能重塑技术主要包括手术治疗、药物治疗、干细胞移植等，但由于脊髓损伤的临床情况复杂，其修复及功能重塑效果并不理想。近年来，基于脑/神经接口技术的脊髓电刺激功能修复技术已成为国内外脊髓损伤修复领域内的研究热点。但单纯的电刺激技术存在以下缺点：1)现存的神经接口技术信号提取时信噪比较低，不能精确采集运动意图信号。造成刺激命令下发不明确。2)中枢神经提取的运动意图信号不能分辨出动作大小、快慢等运动状态，不利于发出精确地命令信号。3)由于电流在体内的流动，刺激位置只能是一个区域，造成神经刺激选择性很低，不能靶向刺激目标神经。

因此，如何实现高精度的下发命令信号，靶向刺激激活目标神经实现脊髓损伤修复是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种光电组合刺激装置及方法，针对脊髓损伤导致的运动功能丧失或部分丧失的病人，采用多传感融合的光电组合刺激方式，利用多通道电极同时采集大脑和脊髓不同运动状态下的运动意图信号。对比探讨不同运动状态下脑电信号和脊髓电信号差异，通过信号融合与预处理，实现不用运动意图信号的高信噪比精确采集，最终转化为高精度的下发命令信号，并利用亚阈值电刺激和光刺激的神经选择性，实现目标神经的靶向刺激激活。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光电组合刺激装置，包括脑电电极模块、处理器集成装置、脉冲发生器、光电组合刺激电极和电源；所述脑电电极模块无线连接所述处理器集成装置；所述处理器集成装置导线连接所述脉冲发生器；所述脉冲发生器通过导线和耦合光纤连接所述光电组合刺激电极；所述电源连接所述脑电电极模块和所述处理器集成装置。

优选的，所述脑电电极模块包括依次连接的大脑电极、调理放大电路和天线，以及无线供电模块；所述调理放大电路和所述天线连接所述无线供电模块，所述无线供电模块无线连接所述电源，通过所述电源进行无线供电；所述大脑电极采集脑电信号。

优选的，所述处理器集成装置包括集成设置的脊髓电极模块、处理器、信号接收装置、电刺激编程器和所述无线供电模块；所述脊髓电极模块包括脊髓电极和调理放大电路，所述脊髓电极采集脊髓电信号，并电连接所述调理放大电路，所述脊髓电信号经过所述调理放大电路传输至所述处理器；所述处理器集成装置的所述无线供电模块连接所述信号接收装置、所述处理器和所述电刺激编程器；所述电源无线连接所述处理器集成装置的所述无线供电模块，实现无线供电；所述信号接收装置和所述电刺激编程器连接所述处理器；所述电刺激编程器连接所述脉冲发生器；所述信号接收装置无线连接所述天线。

优选的，所述处理器设置有串口和蓝牙模块，通过所述串口或所述蓝牙模块与上位机连接通讯。可以实现通过上位机设置处理器集成装置中处理器的参数，实现光电组合刺激装置的调整。

优选的，所述光电组合刺激电极采用亚阈值电刺激的方式；所述光电组合刺激电极用于靶向刺激脊髓运动神经。

优选的，所述光电组合刺激电极采用多通道阵列电极，采用柔性聚合物材料为基底，在所述基底上分布附着若干通道电极触点；所述电极触点由光纤触头和电极片组成，每一个所述电极片对应脊髓的不同区域；每个所述电极触点都具有通道，每个所述通道具有耦合光纤和导线，每根所述耦合光纤对应连接一个所述光纤触头，每根所述导线对应连接一个所述电极片，所有所述耦合光纤和所述导线汇总到所述多通道阵列电极的一端由总线导出。

优选的，所述调理放大电路接收电信号，对电信号的处理包括依次进行前置放大、高/低通滤波、50hz陷波、后置方法和电平抬升。

一种光电组合刺激方法，包括以下具体步骤：

步骤1：由脑电电极模块和脊髓电极模块同时采集脑电信号和脊髓电信号并发送至处理器；

步骤2：所述处理器接收到信号后对所述信号进行特征识别，通过算法对比识别特征差异；

步骤3：由对比识别到的所述特征信号确定运动意图，将所述运动意图进行编码，并转化为刺激命令信号；

步骤4：将所述刺激命令信号传输至脉冲发生器；

步骤5：由所述脉冲发生器将接收到的所述刺激命令信号转化为具体的刺激信号，通过导线和耦合光纤发送到光电组合刺激电极中，对目标神经组织进行靶向刺激，实现协调运动。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种光电组合刺激装置及方法，通过大脑电极和脊髓电极同步采集脑电信号和脊髓电信号，传输至处理器进行运动意图特征识别，根据获得的运动意图便携刺激控制命令，通过脉冲发生器向光电组合刺激电极发送刺激信号，光电组合刺激电极采用亚阈值电刺激的方式刺激目标区域，通过施加近红外光精确选择刺激目标神经，实现神经的高精度激活，将电刺激与光刺激结合，将电刺激处于亚阈值状态，此时增加光刺激照射目标神经，通过两种能量的相加，可以高度选择的激发目标神经产生动作电位而不会影响其他不相干神经，既可以保证刺激安全，又可以保证刺激精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的光电组合刺激装置结构示意图；

图2附图为本发明提供的光电组合刺激电极结构示意图；

图3附图为本发明提供的电极触点结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种光电组合刺激装置，包括脑电电极模块、处理器集成装置、脉冲发生器、光电组合刺激电极和电源；脑电电极模块无线连接处理器集成装置；处理器集成装置导线连接脉冲发生器；脉冲发生器通过导线和耦合光纤连接光电组合刺激电极；电源连接脑电电极模块和处理器集成装置。

为了进一步优化上述技术方案，脑电电极模块包括依次连接的大脑电极、调理放大电路和天线，以及无线供电模块；调理放大电路和天线连接无线供电模块，无线供电模块无线连接电源，通过电源进行体外无线供电；大脑电极采集脑电信号。

为了进一步优化上述技术方案，大脑电极集成有电源模块，为大脑电极供电。

为了进一步优化上述技术方案，处理器集成装置包括集成设置的脊髓电极模块、处理器、信号接收装置、电刺激编程器和无线供电模块；脊髓电极模块包括脊髓电极和调理放大电路，脊髓电极采集脊髓电信号，并电连接调理放大电路，脊髓电信号经过调理放大电路传输至处理器；处理器集成装置的无线供电模块连接信号接收装置、处理器和电刺激编程器；电源无线连接处理器集成装置的无线供电模块，实现无线供电；信号接收装置和电刺激编程器连接处理器；电刺激编程器连接脉冲发生器；信号接收装置无线连接天线。

为了进一步优化上述技术方案，无线供电模块和电源进行无线供电，利用感应电磁技术，利用电磁感应线圈，将电能转化成磁能进行无线发射和接收。

为了进一步优化上述技术方案，处理器设置有串口和蓝牙模块，通过串口或蓝牙模块与上位机连接通讯。

为了进一步优化上述技术方案，光电组合刺激电极采用亚阈值电刺激的方式；光电组合刺激电极用于靶向刺激脊髓运动神经。

为了进一步优化上述技术方案，光电组合刺激电极采用多通道阵列电极，采用柔性聚合物材料为基底1，在基底1上分布附着若干通道电极触点2；电极触点2由光纤触头21和电极片22组成，每一个电极片22对应脊髓的不同区域；每个电极触点2都具有通道，每个通道具有耦合光纤和导线，每根耦合光纤对应连接一个光纤触头21，每根导线对应连接一个电极片22，所有耦合光纤和导线汇总到多通道阵列电极的一端由总线3导出。通过电刺激编程器发送的刺激命令信号经过脉冲发生器转化为刺激脉冲信号，实现触发不同的耦合光纤和导线，从而通过不同区域的光纤触头和电极片刺激不同区域神经。人体在运动时，每一种运动都会对应一组神经的激活，而这些神经会对应脊髓的不同位置，只要能够识别出运动类型，就会获得对应的待激活位置，激活相应位置就可以实现某一运动。

为了进一步优化上述技术方案，调理放大电路接收电信号，对电信号的处理包括依次进行前置放大、高/低通滤波、50hz陷波、后置方法和电平抬升。

一种光电组合刺激方法，包括以下具体步骤：

s1：由脑电电极模块和脊髓电极模块同时采集脑电信号和脊髓电信号并发送至处理器；

s2：处理器接收到信号后对信号进行特征识别，通过算法对比识别特征差异；

s3：由对比识别到的特征信号确定运动意图，将运动意图进行编码，并转化为刺激命令信号；

s4：将刺激命令信号传输至脉冲发生器；

s5：由脉冲发生器将接收到的刺激命令信号转化为具体的刺激信号，通过导线和耦合光纤发送到光电组合刺激电极中，对目标神经组织进行靶向刺激，实现协调运动。

实施例

(1)脊髓的腰膨大部位分离出的坐骨神经，一直延伸到下肢肌肉，下肢运动过程中，通过接收来自大脑和脊髓的运动信号分别控制下肢不同肌肉，协调完成某一动作。人体行走可以分为以下阶段：

1)单腿站立引导肢向前阶段：

下腹部收紧保持躯干稳定，髂腰肌收缩屈髋，膕绳肌与小腿收缩屈膝，胫骨前肌和腓骨肌收缩出现踝屈(勾脚动作)，引导肢向前时，对侧肩关节向该侧髋关节靠拢，足趾的伸肌收缩出现勾脚尖动作(趾部伸展)；

2)足跟与地面接触

屈髋终止，股四头肌收缩伸膝，踝屈和趾伸动作终止；

3)重心前移，单腿支撑阶段

股四头肌收紧，臀部肌群开始收缩；

4)重心继续前移，向前跌倒倾向

臀部收缩伸髋，其他地方维持稳定，小腿及足部肌肉收缩明显；

5)推动阶段：

臀部继续收紧伸髋，股四头肌继续发力伸膝盖，该侧支撑肢会完全伸展到摆动肢即将着地；

摆动过程中，对侧肩会向摆动肢髋关节靠拢，这个阶段的末段是趾长屈肌发力，即走路时脚趾也需发力；

6)摆动肢接触地面时，新的周期开始。

上述便是人体正常行走过程中涉及的肌肉和协调收缩过程，若脊髓损伤患者实现下肢的正常摆动，需按照该过程一次激活不同肌肉，该过程需要设计刺激脊髓的不同区域从而靶向控制不同肌肉，使之协调收缩，完成下肢的摆动。不同区域的刺激先后，需要由算法支持多通道电极中每个通道的通放电或光，刺激最佳区域，最终靶向控制核心肌群完成下肢摆动。

(2)通过电极刺激需要下述两点动作：

1、选择不同刺激模式，电极中不同的电极片对应脊髓的不同区域，从而刺激不同的部位。运动过程中需不同肌肉组织密切配合，需要算法支持，首先由电极采集脑电信号和脊髓电信号，经过模式识别处理，获取信号特征参数，采用相关性分析来得到中枢神经细胞间的相互作用，将脊髓电信号和脑电信号相互融合，实现“脊髓+大脑”信号综合特征融合，从而获得运动意图，在电刺激编程器根据运动意图编写算法支持的刺激代码，执行该代码形成一套刺激模式，再由脉冲发生器将运行的具体的不同刺激模式生成变化的电脉冲发送到光电组合刺激电极，最终完成刺激。

不同刺激模式可以提前编写到电刺激编程器中，通过识别不同的运动意图，可调用不同的刺激模式，降低实时编程难度，实现程度更高。具体的运动模式可由分析出来的运动意图信号强弱来分级实现走路动作。可分为三个不同等级(慢、中、快)，包括迈腿快慢和摆动幅度的大小。对应实现不同的运动状态。

2、分析运动意图信号，采集来的脑电信号和脊髓电信号需要特征识别与处理，并将该信号编码转化为刺激命令信号。

(3)本发明装置的安装方式为：

大脑电极植入到大脑皮层中采集脑电信号，脊髓电极植入到t7-t8脊髓硬膜外采集脊髓电信号，脊髓电极和处理器集成在一起，并集成有信号接收装置，用来接收脑电信号。脑电信号和脊髓电信号通过调理放大电路的预处理传送到处理器中，经过处理器对信号进行特征识别，识别出不同类别的运动意图信号，并编码转化成刺激命令信号。预处理一方面降低处理器的处理难度和功耗，另一方面可以提高处理速度。脉冲发生器与多通道光电组合刺激电极通过导线连接，并将光电组合刺激电极植入到腰膨大(l1-s2)硬膜外，用于靶向刺激脊髓运动神经。处理器集成装置同脉冲发生器通过导线连接(即电刺激编程器导线连接脉冲发生器，电刺激编程器下发不同的刺激模式给脉冲发生器)，将刺激命令信号下发到脉冲发生器中，脉冲发生器通过协调光电刺激模式产生刺激脉冲信号，并将刺激脉冲信号发送到光电组合刺激电极中，用于靶向刺激神经。

(4)脑和脊髓运动意图信号的精确采集

确定脊髓神经中运动信号的位置(点或区域)，采用满足中枢神经电信号采集要求的多通道阵列电极，探究电极在脊髓神经的准确定位，提高运动意图信号信噪比，实现其电生理信号的精确采集。

多通道阵列电极如图2所示，电极片如图3所示，多通道阵列电极采用柔性聚合物材料(聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺(pi)、聚对二甲苯(parylene)等)为基底，基底上分布附着16通道电极触点，该触点由光纤触头和电极片组成，使得该电极不仅可以导电，还可以导光。16个通道中，每个通道具有自己的耦合光纤和导线，最后汇总到电极的一端，由总线导出，光纤直径为1mm，电极片长4mm宽1.5mm。

(5)基于不同运动状态的运动意图特征识别(脑和脊髓)

基于提取的脑和脊髓运动意图信号，采用不同的实验策略，识别病人在不同运动状态(动作快慢、动作幅度大小等)下的运动意图信号。对比不同运动状态下脑电信号和脊髓电信号差异，并对脊髓神经信号与脑电信号进行融合与预处理，最终实现不用运动状态的准确运动特征识别。

运动意图特征识别过程为：对于动作a，先对正常人(实验者)下达动作命令，在实验者接收到命令后，大脑会下发动作信号，该信号通过脊髓传递到目标肌肉群，目标肌肉群接收到命令信号后开始做出相应动作。在这个过程中，大脑在发出指令的同时，会释放一定的电生理信号，并且该电信号以一种整体固定的形式被外界接收，该种信号也称作脑电信号，即脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。通过分析特定动作的脑电信号，利用小波变换或人工神经网络算法可以对脑电信号进行特征识别，将该特定动作与脑电信号的特征进行匹配对应，当采集到的该种脑电信号的时候，就可以表明实验者要进行动作a。这一整个过程，也被称作特定动作的“运动意图信号采集与识别”。

(6)基于光电组合刺激的运动功能重塑

采用亚阈值电刺激的方式刺激目标区域，通过施加近红外光，精确选择刺激目标神经，实现神经的高精度激活。通过对神经系统进行电流或电压刺激时，当刺激信号达到某一特定数值时，可以诱导神经系统产生动作电位，该动作电位通过下传至目标肌肉，可引起目标肌肉的收缩，这一特定数值，也被称为刺激阈值。当刺激信号接近但低于刺激阈值时，此时不能产生动作电位，如果在给处于该状态的刺激神经增加一定的光刺激，通过两种能量的相加，受体神经可以达到刺激阈值，从而产生动作电位，引发目标肌肉收缩。

如果单独使用电刺激，由于电流可以在刺激部位四处扩散，容易错误激发其他神经，引起其他肌肉收缩，从而导致动作不能完成。光刺激具有高度选择性，只会刺激直接照射部分，但单独的光刺激容易受到损伤阈值与刺激阈值2倍的限制，容易引发组织损伤。因此可以将电刺激与光刺激结合，将电刺激处于亚阈值状态，此时增加光刺激照射目标神经，通过两种能量的相加，可以高度选择的激发目标神经产生动作电位而不会影响其他不相干神经，既可以保证刺激安全，又可以刺激精确。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。