CN110248693A

CN110248693A - 电刺激设备

Info

Publication number: CN110248693A
Application number: CN201880006873.XA
Authority: CN
Inventors: 维克托·特雷克霍夫
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: CN116603167A; JP2020505199A; IL268053B; RU2019125948A3; KR102489585B1; WO2018134753A1; IL268053A; KR20190103279A; BR112019014708A2; IL268053B2; IT201700005161A1; EP3570933A1; RU2771207C2; RU2019125948A; CA3050092A1; CN110248693B; US20240066283A1; US20210128904A1; US11872388B2; JP7228902B2

Abstract

一种负责进行复杂运动的至少一个肌肉群的电刺激方法，包括以下步骤：‑将至少一个肌肉群的每个肌肉与设有至少一个相应电极的电刺激通道相关联，每个电刺激通道适于依次传输到相应肌肉双极电脉冲；‑为所有电刺激通道确定限定可重复刺激周期的相同循环时间，其中，在所述刺激周期内，每个通道执行其自己的刺激序列；将每个刺激周期细分为两个相等持续时间的半周期；‑将每个半周期细分为多个相同持续时间的子间隔。至少一个子间隔是刺激子间隔，其中执行包括一个或多个脉冲包的基本脉冲序列，每个脉冲包由预定的单个双极电脉冲序列给出。

Description

电刺激设备

技术领域

本发明涉及负责执行复杂运动的至少一个肌肉群的电刺激方法和设备。

发明内容

所提出的电刺激方法和设备旨在治疗与神经肌肉***相关的问题，维持老年人的健康以及针对高水平运动训练的电生理训练。

特别地，电刺激方法和设备用于：

-在失去功能的恢复阶段(包括中风后)治疗神经肌肉疾病、脊髓损伤以及外周和中枢神经***；

-所有术后矫正矫形变体的治疗；

-针对与运动***和老年相关的问题的功能校正；

-专门的高水平运动训练，以训练速度和耐力；

-通过特定训练预防神经肌肉损伤；

-锻炼期间的功能监测。

人体，并且更具体地神经肌肉***，是非常复杂和有关节的，但是都起作用并且经受电传输定律的影响。实际上，神经冲动行进并利用电位差作为通信的主要载体。

当神经***、脑或脊髓由于事故或由于中风而机械地受到创伤以保护受损的局部结构时，脊柱休克类型的保护机制开始自动起作用，趋向于减少损坏面积，但同时隔离了受每个中枢控制影响的结构。

通过遵循每个有机体趋向于较少能量消耗的自然原理，可以说，受损部分是断开的，从而剥夺了人在事故发生前通常由人正常自愿控制的器官和身体部位的控制权。

其中自发恢复以强有力的方式表现出来的状况很少见；在创伤之后状况要多得多，最好的情况是状况不改变，保持稳定。

这种改善的缺乏显然部分是由于创伤的严重性，并且部分是由于目前实施的康复治疗的不足和有效性的缺乏。

特别针对运动训练，众所周知，专注于实现最大结果的现代运动呈现出对越来越高水平的运动训练的需求。运动员必须每天至少花费6-8小时进行强化训练，包括至少2小时以改善技术和力量。这种锻炼需要运动员发挥他/她的所有精神和身体潜能。当然没有多少运动员能够满足这样的要求，并且大多数想要致力于职业运动的人自身都没有达到预期的效果，因为他们的运动训练不能满足必要的要求。

在大多数情况下，用于评估运动表现的主要参数是：运动活动的力量、速度、耐力和重复可靠性。

在运动员的训练期间，针对各种运动开发了上面列出的品质。

这种准备通常基于随时间重复的锻炼，通过多学科方法由不同的肌肉群一致地执行。

旨在增加强度的这种类型的训练的单调主要特征在于使用举重设备。然而，这种方法很快就会导致疲劳，减缓恢复并降低维持运动员竞争精神所需的动力。

实际上，已知并使用称为FES(功能性电刺激)的功能性电刺激工具。然而，它们的使用是基于电刺激的基本被动的应用，其不允许针对周围神经***的作用。

然而，根据申请人，有必要提供神经***可识别的电刺激，类似于我们的身体通常用于产生运动的信号。

特别地，被动电刺激(即没有运动)不是生理的，因为它导致控制肌肉收缩的感觉***之间的信息不匹配。

在这种被动电刺激期间，在肌肉受体提供的信息和本体感觉关节传感器提供的信息之间产生不一致。

此外，由于电刺激不足而未考虑神经肌肉***的操作参数，乙酰胆碱的生化储备耗尽，并且终板水平的肌纤维激活过程受到侵害。

本发明的目的是提出一种电刺激方法和设备，其能够克服根据现有技术的上述电刺激方法的限制，并且特别是能够产生神经***可识别的电刺激信号，类似于我们的身体通常用来产生运动的信号。

所述目的通过根据权利要求1的电刺激方法和根据权利要求12的电刺激设备来实现。从属权利要求描述了本发明的优选实施例。

附图说明

然而，根据本发明的电刺激方法和装置的特征和优点，通过参考附图的指示性和非限制性示例提供的优选实施例的以下描述，将变得明显，其中：

-图1示出用于电刺激的双极脉冲的示例；

-图2示出脉冲包的两个示例；

-图3示出对于电刺激程序的循环，使用的十六个电刺激通道的脉冲包序列；

-图4示出十六对电极在人体中相同数量的肌肉群上的应用；

-图5、图5a和图5b示出表格，其对于16个电刺激通道中的每一个，分别表示与步行、跑步和下蹲运动相关的锻炼项目的刺激序列；

-图6示出在运动动作的两个阶段中应用于“步行”锻炼项目中涉及的肌肉群的电极对；

-图7是根据本发明的电刺激设备的正视图；

-图8示出连接到背板的电源板；

-图9示出用户界面；以及

-图10是微处理器控制单元的框图。

具体实施方式

本发明的基础是这样的假设：随着运动的重复，人们达到串行控制机构的优化直到(自动)分段水平。该运动控制***以最低的能源成本实现最高效率，以最大的速度和精度解决运动功能。

在优选实施例中，使用根据本发明的电刺激方法执行的运动程序提供肌肉的同步电刺激，同时执行程序式的循环运动。这些程序是根据运动的多面体设计创建的，其中每个肌肉在精确的时刻被激活。

特别地，作为创建实施根据本发明的方法的电刺激程序的基础，已经考虑了具有高运动能力的健康运动员在进行特定锻炼时的生物力学和多肌学特征。每次锻炼的肌电记录使用现代的16通道肌电图***进行，随后对记录的数据进行综合分析处理。

因此，为执行复杂运动所必需的肌肉群的同步运动而创建的所有电刺激程序对应于相同锻炼的生理和生物力学模型。

有利地，所提出的电刺激方法允许通过特定刺激程序再现已知的最重要的循环运动，例如步行、跑步、跳跃、弯曲等。

可以以任何节奏执行运动，例如，频率为0.2到10秒。

所提出的方法允许在对执行程序式功能的肌肉特定的收缩时刻执行电刺激。以这种方式，电刺激方法可以被认为是“生理的”，即神经***可识别为类似于我们的身体通常用于产生运动的信号。

在锻炼期间，不仅肌肉的收缩增加；同时，相关的感觉***被激活。这是非常重要的，因为在运动神经元的电子暴露和神经程序之间的协调差异的情况下，运动神经元***的正常功能(包括直到大脑皮层的传入信息)可能被中断。换句话说，创建的中间神经元连接也可以通过学习新的运动来打破。这种负面情况是已经存在的不遵守基本生理规则的电刺激器的典型情况。

在这方面，应该注意的是，在人脑记忆中，没有运动的刻板印象，而是通过合理使用分层次级神经肌肉***，实时调整运动的控制算法以获得期望的结果。

本发明基于以下概念：运动的循环重复在分段水平优化和自动化运动控制机构。这反过来允许最大效率和最小能量消耗，以最大速度和精度解决运动功能。

体内的每个肌肉群受到神经支配，并且在脊髓中发现负责收缩的运动神经元。身体的右半部分由相应的运动神经元支配，左侧也是如此；感觉***刺激相关肌肉群的工作，根据与皮质水平处的大脑和节段处的脊髓进行的分析相关的从属关系(层次)以及负责肌肉收缩的执行水平实时传输信息。

换句话说，所提出的电刺激方法规定，电刺激在其自身运动期间进行，而不产生运动。

通过将这种类型的电刺激与循环重复的全方位的锻炼和物理运动相结合，人们获得了正确的混合以向神经***提供适当的刺激以促进功能的恢复。

特别是在刺激运动员的肌肉以改善他/她的表现的情况下，考虑到运动员在给定程序的锻炼期间可能无法在电刺激程序的电刺激节奏下匹配或继续匹配他/她自己的节奏或肌肉活动，根据本发明的一个方面，提供了以这样的方式自动(即，不中断刺激锻炼)调节电刺激节奏的可能性，即跟随经受刺激治疗的受试者的电刺激节奏。

为此目的，提供了感觉跟踪***，其利用真实肌肉收缩模式自动调节和同步电刺激周期。

使用这种功能性电刺激的自适应模式特别有利，不仅在神经肌肉***的长时间训练期间，而且在康复期间，因为共振耦合有助于重建中间神经元和运动神经元之间的突触连接，为恢复失去的功能创造条件。

根据目前的知识状态，可以在人类中识别出五种构造水平的运动：

A-音调和姿势水平；

B-协同水平(协调肌肉收缩)；

C-感觉水平；

D-心理逻辑水平(语义电路)；

E-皮质水平的符号协调(书写、语言等)。

这样的水平和它们的感觉矫正，即通过来自视觉、听觉、触觉和本体感觉的感觉输入在空间中定向自身的能力被称为“基本”。

更高水平的运动控制及其基本调节称为“更高水平”。更高水平的监管通过将其与计划的结果进行比较来评估运动的结果，并基于先前经验的逻辑模型进行一些修改，还提供了较低水平的实际能力，直到分段水平，其可用性被发现在解剖学上组织的运动的感觉控制***。

每个水平具有一组特定工具，用于对预设功能进行必要的校正。

更确切地说，每个上述水平具有其自身的解剖学组织结构，其执行特定功能以实现预期目标并且还用于使生物体的存活自动化。

每个调节水平对应于解剖学上有组织的结构，其允许执行宽范围的编程功能，并且根据需要，还保证对耦合的神经结构的访问。

这些水平中的每一个也有助于中枢神经***中的特定解剖学形成，还通过其感觉运动矫正工具。

感觉运动自我矫正特有的仪器首先在解剖学上存在于A、B、C水平，并根据中间神经元的生物反馈原理，通过突触激活机制的优点和相互作用机制中特化运动神经元的抑制来执行其功能。

有关在给定水平处执行的校正的信息通过属于处理它的较高水平的部分到达，并以新的运动命令的形式重定向到较低水平。

通过管理***确保人类运动活动的多样性，该管理***将专门的解剖学实体与感觉***连接起来。

人体的运动调节***是在进化适应过程中作为一环创建的，根据多级分层控制的原则，人体中枢神经***的组成是必不可少的，其中每个水平由其功能任务决定，并监测在本地水平和更高水平上活跃的发展。

所提出的电刺激方法被设计成根据这种运动***的解剖生理学定律的功能提供人体运动***的功能性电刺激。

所提出的电刺激设备允许人们使用在功率、持续时间、频率、极性和程序重复方面可调节的电脉冲，以便在运动期间作用于神经肌肉***，或者在锻炼和不运动时以等长或等渗模式作用。

所提出的电刺激设备配备有一组宽的电脉冲参数，这些电脉冲参数在生理上适合于人神经肌肉***的正确运行，并且可以存储针对每个程序和针对每个患者的刺激参数。

由此可以累积与各种训练课程相关的数据，并且从而为每种病理学和每项专业训练创建特定的数据库，使训练方法能够在未来的课程中标准化。

利用这些运动图，可以创建功能性电刺激程序的软件库，例如在16个独立的通道上，其也反映不同情况的康复统计。

考虑到他们在所使用的电刺激通道上同时工作的解剖学-生理学规律，程序库允许主要肌肉群的相干功能性电刺激。

电刺激程序基于宽范围的周期性运动，包括适用于健身和举重机器的运动；它们是基于对高水平运动员、健康儿童、青少年和老年人进行的多项记录、测角和测力检查而开发的。

这些程序形成模型或协议的规则，其允许人们在希望恢复运动功能的所有情况下尝试修复各种神经***疾病，以及为运动员提供速度、强度和力量方面的专业化，以及还指导接受专业训练的人员(宇航员、特种部队等)。

根据特定病理学和现有禁忌症选择各种程序。

考虑到下肢和上肢的关节运动的生理模型的刺激，已经制备了所有程序。

特别地，所提出的电刺激方法根据其运动的生理模型对上肢和下肢产生影响，并且在病理协同作用(中风)的神经康复中也是极其重要的。

下面将描述根据本发明的一般实施例的电刺激至少一个负责进行复杂运动的肌肉群的方法。

该方法提供刺激每个肌肉群的每个肌肉，将这种肌肉与电刺激设备的相应电刺激通道相关联，这将在下面进一步描述。

每个电刺激通道适于通过电极或优选地一对电极(以及，利用某些程序、单极)依次将双极电脉冲传输到相应的肌肉。

在一个实施例中，每个通道借助于电缆连接到两个电极，例如，由导电橡胶制成。可以将粘合剂导电凝胶施加到每个电极的表面，从而提供与皮肤的可靠接触。将每对电极放置在肌肉群上以使各个通道的刺激有效。

除特殊情况外，每个通道总是在同一肌肉群上使用。此外，在身体的每一半上对称地定位的通道具有其功能性拮抗剂活性，其引起肌肉相对于循环运动阶段相反的收缩。

例如，在16个通道的情况下，8个是专用于屈肌肉群的通道，而其余8个通道专用于伸肌肉群。因此，在循环运动期间，每个功能组依次不超过8个通道同时工作，执行程序指定的运动的完整循环。

运动程序(或锻炼)与允许人类运动的主要肌肉群的肌肉参考相关联。专业运动活动也是如此。

特别地，肌肉群的电刺激源自通过肌电图设备识别的运动图。

这种方法保证了肌肉在进行锻炼时的肌肉规律性，这种规律性构成了运动程序的基础。

由此获得的运动程序被收集在神经肌肉***的功能性电刺激设备的存储器中的电刺激程序的目录中。

各种通道根据指定的程序工作，并且对于每个通道，开始刺激的时刻使得电极下方的肌肉收缩。

在健康人中，根据在指定节奏中选择的程序进行运动(由此有效肌肉收缩对应于电力刺激的持续时间)，导致增加用于激活各种运动单元的运动神经元的数量，并因此还增加其激活的百分比。

所有相互的周期性运动还具有其自身的特征，包括身体的每一半的肌肉。这也取决于锻炼的表现，并且因此，为了重建各种运动，已经使用涉及人类运动的主要肌肉群的多肌谱参数来选择肌肉群的收缩模型的特征。

在图1所示的实施例中，每个双极电脉冲10是对称的和方形的。因此，每个双极性脉冲10由具有脉冲周期ΔTimp的方波组成，脉冲周期ΔTimp被分成两个相等持续时间的半周期10'，一个是正振幅，并且另一个是负振幅。

此外，根据要对给定肌肉进行的治疗类型，第一半周期可以是正的而第二半期可以是负的，反之亦然。

因此，根据本发明的电刺激设备允许选择电信号的形状，有选择地强调对上行神经(传入神经、感觉神经)或运动神经(传出神经)的作用，从而为专门的运动训练以及任何运动功能障碍的治疗提供进一步的机会。

更具体地，当期望选择传入电刺激的程序时，产生双极电脉冲，其中第一半周期具有负幅度。以这种方式，激发波的传播是朝向大脑的。

当期望选择传出电刺激的程序时，产生双极电脉冲，其中第一半周期具有正幅度。以这种方式，由第一刺激产生的激发波将以下降(传出)方向指向肌肉。

对于所有电刺激通道“C”，建立相同的循环时间ΔTseq(图3)，其定义可重复的刺激周期“P”。在每个刺激周期P内，每个通道C执行其自己的刺激序列。因此，对于预先建立的锻炼时间，通过重复给出N个刺激周期，并且因此N个相等的刺激序列，给予电刺激治疗。

每个刺激周期P被分成相等持续时间的两个半周期T1、T2。

此外，每个半周期被划分为具有相等持续时间的多个子间隔“SI”。

这些子间隔SI中的至少一个是刺激子间隔，其中执行包括一个或多个脉冲包12的基本脉冲序列。

反过来，每个脉冲包12由预定的单个双极电脉冲序列10给出。

例如，图2示出两个脉冲包12、12'：在顶部，将4个双极脉冲10组合的脉冲包12；在底部，将16个双极脉冲10组合的脉冲包12'。

因此，取决于对肌肉群进行的治疗类型和/或取决于肌肉群的类型，定义如下：

-每个子间隔的持续时间；

-每个脉冲包中的脉冲数量；

-脉冲包的频率Fpacc，即一个脉冲包与下一个脉冲包之间必须经过的时间；

-每个脉冲的幅度和持续时间。

将刺激周期ΔTseq细分为持续时间ΔTn的多个子间隔SI，彼此相等且对于所有通道相等，允许所有通道同步。

此外，如上所述，每个通道的持续时间ΔTseq的每个刺激周期P具有缺少基本脉冲序列的半周期Toff和具有至少一个刺激子间隔的另一个半周期Ton。

应当注意，在每个半周期中具有相同电荷量的双极脉冲形状用于避免电缆和电极的电流破坏。此外，以这种方式，离子不会重新分布到人体组织中。在单极形状的情况下，在极化电极下可能发生酸和碱的累积。

因此，每个刺激周期内的刺激序列通过几个基本脉冲序列的一次或多次重复给出，其中每个基本序列通过一次或多次重复几个脉冲包给出。

在一个实施例中，每个刺激子间隔中的脉冲包的数量和每个脉冲包的脉冲数对于所有通道是相同的。

在图3中针对16个通道示出的一个实施例中，一个通道的刺激周期的刺激子间隔的数量和/或时间分布不同于至少一个其他通道的刺激子间隔的数量和/或时间分布。

如上所预期的，所获得的循环运动是在大量肌肉的参与下进行的，这些肌肉以编程序列工作。已经选择了主要肌肉群，并且已经确定了针对所有基本类型的人类运动的其周期性锻炼模式的临床肌电图。

利用这些运动图，在16个独立通道上创建功能电刺激程序的软件库。

取决于其功能、周期和运动类型，在循环时间期间的适当时刻刺激参与运动的每个肌肉群。

每个肌肉的电刺激的持续时间对应于肌肉活动的肌肉周期，并且取决于运动的类型和进行的运动的节奏。

因为对于每个程序，每个肌肉群的参与程度可以是不同的，在一个实施例中，每个通道中的电刺激的持续时间是严格独立的。当设置每个通道时，为每个通道单独选择电信号的幅度，直到收到肌肉收缩而没有疼痛。

在病理学中，包括完全缺乏肌肉活动的情况，使用适合于特定情况的功能性电刺激的特定程序。然而，基本的参考模型始终是生理模型。

该方法学解决方案允许人们激活和构建动力学以使病理***回到正确的生理方向。

优选地，如果刺激周期具有多于一个刺激子间隔，则刺激间隔是连续的。

在一个实施例中，一个通道的脉冲的幅度不同于至少一个其他通道的脉冲的幅度。

实际上，身体的各个部分具有不同水平的灵敏度和不同数量的均匀分布的敏感神经末梢(传感器)。

每个传感器严格地具有其自己的特定目的：向神经中枢通知对过程的所有修改。大部分感觉***位于脊髓神经节的敏感神经元中，该神经元在脊柱水平上传递信息，在那里它被传递到适当的中枢，包括运动***。经由脊髓的传入途径对该脊柱水平进行综合优化和校正的结果被传递到运动中枢和大脑。

为了确保足够的神经肌肉功能，必须考虑到信号的幅度相对于受刺激的肌肉敏感度而变化。特别地，在身体上半部的肌肉组织上，用于激活的信号的幅度小于下肢所需的幅度。

由于这个原因，当配置各种刺激强度模式时，在每个通道中提供信号幅度以确保肌肉收缩而对于患者没有疼痛。

当病理学损害神经肌肉***的敏感性时，这种敏感性可在身体的左半部分和右半部分之间变化很大(例如，在偏瘫的情况下)。

在一个实施例中，通道的刺激序列的第一脉冲或最后脉冲的幅度显着大于剩余脉冲的幅度。以这种方式，由该通道刺激的肌肉准备用于随后的刺激。

在一个实施例中，感觉刺激与肌肉的电刺激相关联，例如，以光和/或声信号的形式。

如上所述，电刺激根据伴随在指定节奏中执行的已知循环运动的预设程序进行。任何运动总是始于某些肌肉群的收缩；必须首先开始移动的群体受到称为“引导”通道的通道的刺激。

在存储在电刺激设备的存储器中的每个功能性电刺激程序中，因此分配引导通道，其首先将电刺激发送到主要肌肉群。随着这种肌肉的收缩，肌肉群的运动开始。

在一个实施例中，引导通道连接到声音和/或视觉信号，该声音和/或视觉信号与肌肉群的周期的开始同时运行。

患者开始与声学和/或视觉信号同时运行程序。实际上，锻炼中的受试者的大脑与引导通道的声学和/或视觉信号接口，以根据程序执行主要肌肉群的锻炼，从而保证每个循环周期的同步。

这种布置允许根据电刺激程序协调执行运动动作，以及激活大脑皮质的运动控制中枢，提供神经介导的必要生化过程的激活和运动控制的集中优化。

在节段水平的中间神经元***的组织中，在所有这些连接的营养维持中，由于根据涉及整个中枢神经***的程序的重复运动动作的效果的总和和自动化，这表现为沿着神经纤维的激发速度的增加。

在一个实施例中，与声学和/或视觉信号的发射相关联的引导通道是肌肉群的电刺激通道，其被认为在执行复杂运动中更重要或者更需要刺激并且不一定与启动每个电刺激循环的通道一致。

因此，在优选实施例中，对于涉及一种运动类型的每个程序，识别引导通道，其表示在运动周期中首次激活(或如上所述，最重要的肌肉群)的肌肉群的刺激。在激活引导通道之后，为了完成整个运动周期，激活用于执行运动动作的剩余肌肉通道/组。下一个循环再次以相同的通道激活顺序开始。

向每个电刺激通道分配一定的预定肌肉群。例如，因此，如果运动程序A以右股二头肌的激活开始，则与这样的肌肉群相关联的这种通道号1成为引导通道。随着程序/运动周期的变化，引导通道的数量将相应地变化。将每个程序的各种肌肉群与相应的电刺激通道组合的这种布置允许其中一个组织和简化电刺激设备的管理软件的数学算法。这对于在运动节奏改变时在锻炼周期中采用的肌肉群的电刺激的自动同步尤其重要。

根据优选实施例，为了保证电刺激与锻炼期间的实际肌肉活动的同步，提供了基于传感器的监测***，其检测由患者或运动员执行的运动周期的有效持续时间。

例如，使用提供指示肢体或肢体的一部分的位置变化的“开-关”信号的传感器。然后将这种传感器定位在适于读取位置变化的点处，例如在脚跟下、在肘部上、在膝盖上。

例如，在传感器放置在跟部下方的情况下，当相同的跟部第一次接触地面直到下一次接触时，开始记录循环持续时间，指示循环结束。

在一些实施例中，进行双重测量，其提供循环时间的平均值。

位于肘部的尺骨传感器或位于膝盖上的传感器(测量弯曲角度的变化)被重复改变。

在电刺激程序的预定循环时间，手动设置和由一个或多个传感器进行的测量所提供的实际循环时间之间不匹配的情况下，电刺激方法提供对所有通道的循环时间的调整，以使其适应测量的循环时间。

例如，作为测量的循环时间的函数，重新计算和重置如上定义的每个子间隔Si的持续时间。

参考图4至图6，现在将描述电刺激程序的示例。

图4示出了16个通道的定位，每个通道包括在患者身体上的一对电极30。如上所述，刺激肌肉群的每个通道，例如屈肌肉群，对应于刺激功能性拮抗肌肉群的对称通道，例如伸肌肉群，其引起肌肉相对于周期性运动的阶段相反的收缩。

图5中所示的功能性电刺激的锻炼程序与步行运动有关。

在步行、跑步和下蹲运动的情况下，功能性电刺激循环的完整周期分别呈现在图5、图5a和图5b的曲线图上。在图的左侧表示由16个相应通道刺激的16个肌肉群。两个中心列显示了整个运动循环中每个通道的操作图。右边的最后一列表示新循环的前十个子间隔。

循环的完整周期分为32个阶段。循环的每个阶段都是周期的1/32。

周期可以在0.2到10秒之间变化。每个重复循环始终以同一组肌肉开始。整个运动循环分为两部分。

例如，在行走的情况下(图5)，与声学或视觉信号相关联的引导通道是确定右腿运动开始的通道。顺序地，由左腿的运动确定的周期的后半部分开始直到它到达阶段32。

更具体地，为简单起见，每个运动循环被划分为一定数量的子间隔(例如，32)。对于每个程序，可以与16个电通道中的一个(在该类型的程序的基本组中)配对上述声信号。

手臂通过适当的往复运动跟随行走的动力学。

参考图7至图10，现在将描述能够执行上述电刺激方法的设备50的实际示例。

该设备包括支撑八个双通道电源板102的框架100、用于连接电源板102的底板104、电子处理单元106和用户界面108。

例如，设备50通过经批准用于电子医疗领域的通用电源(85-264Vac输入)供电(IT和医疗安全认证(I类和II类))。

在一个实施例中，每个通道的电流受到控制并且能够以1kOhm的标称负载提供150mA的最大电流(因此对于每个通道，最大电压为150V)。

在一个实施例中，图9中所示的用户界面108包括8色TFT显示器110、多个信号LED112和多个按钮114，其功能将在下文中描述。

用户界面的管理完全由电子处理单元106负责。

用户界面108允许用户执行第一编程阶段和第二执行阶段。在第一编程阶段期间，可以选择哪些程序将是要执行(第二阶段)的序列的一部分，并且对于每个程序，可以选择相关参数。在第二阶段(执行阶段)期间，在第一阶段期间选择的程序被逐个执行。

按钮执行以下功能：

-START/STOP按钮：允许当前程序序列开始或停止；

-ENTER按钮：该按钮执行各种功能：

·在编程阶段期间按压少于两秒迫使序列中的当前程序被保存(因此选择它以供执行)；

·在编程阶段期间按压它超过两秒允许为所有通道选择脉冲的初始方向(正或负)，即传入或传出，

·在程序运行时按下它会强制立即进入下一个程序(或者如果当前程序是最后一个程序则结束序列)。

-PROGRAM+/-按钮：允许从库中的程序中选择程序。这些按钮仅在编程阶段期间有效；

-CYCLE TIME+/-按钮：允许循环时间在200ms和10s之间以200ms的时间步长改变。这些按钮仅在编程阶段期间有效；

-WORK TIME+/-按钮：允许更改锻炼时间(程序的持续时间)。时间步长为1分钟。这些按钮仅在编程阶段期间有效；

-CH.LEADER+/-按钮：允许选择引导通道。这些按钮仅在编程阶段期间有效；

-SOUND按钮：允许相对于引导通道(如果选择)的声音被启用/禁用；

-SENSOR按钮：允许使用外部传感器；

-INTENSITY+/-按钮：允许改变脉冲的强度(幅度)。这些按钮仅在执行阶段期间有效；

-PULSE TIME按钮：允许选择基本脉冲持续时间。该按钮仅在编程阶段期间有效；

-FREQUENCY按钮：允许选择脉冲包的重复频率。该按钮仅在编程阶段期间有效；

-MONO按钮：仅对于引导通道允许使用单极或双极脉冲。该按钮仅在编程阶段期间有效；

-+/-按钮：在用于引导通道的单极脉冲的情况下，它允许指定脉冲是正还是负。该按钮仅在编程阶段期间有效；

至于使用至少一个外部传感器123，如上所述，以预定频率重复所有循环运动。循环时间以秒为单位。当然，循环越短，运动越快，反之亦然。

为了测量运动的循环时间，使用与运动相关联的传感器可能是方便的。例如，可以使用位于患者鞋类的鞋床中的脚跟传感器。这种传感器检测步骤的执行。

在另一个实施例中，可以使用测角传感器，其测量关节中的峰值角度的变化，或位置传感器。

在节奏改变(从疲劳或加速减慢)的情况下，即，当患者的运动节奏相对于预定的电刺激频率改变时，基于由传感器或多个传感器提供的实际数据自动校正刺激的循环时间起作用。

每个外部传感器通过适当的电子调节***向电子处理单元106提供电子处理单元用来重新计算和重置电刺激程序的循环时间的电信号(例如数字开/关)。

图10示出了电子处理单元106的框图。该电子处理单元用微控制器120实现，微控制器120管理：

-外部传感器122的输入；

-用于远程程序START/STOP的红外遥控输入124(数字输入)；

-蜂鸣器126，用于管理相对于引导通道的声音(数字输出PWM)；

-实时时钟128(经由SPI接口)；

-用于存储程序等的外部闪存130(经由SPI接口)；

-温度探测器132(模拟输入)；

-冷却风扇134(数字输出)；

-两个数字输出136(到电源板)；

-LCD显示器138(经由UART)；

-用于连接到个人计算机的USB接口140(经由UART)；

-按钮142的数字输入和输出(键盘矩阵)；

-用于LED的数字输出144。

每个双通道电源板102能够处理两个输出通道。对于每个通道，产生可变频率和/或强度的脉冲序列，例如如下所述。

由于所提出的电刺激方法基于相互肌肉群的募集，因此每个电源板控制两个通道依序工作。

应该强调的是，该设计选择对于防止可能的操作者错误也是有用的，特别是避免同时作用和刺激拮抗肌，这可能导致节段水平的神经内膜单元的神经回路运转受到侵犯(Renshaw细胞)。

如图1所示，在一个实施例中，单脉冲是双极的、对称的和方形的。

在一个实施例中，最大脉冲宽度Aimp是150V(因此300V峰-峰值)并且其持续时间DTimp可以从以下值中选择：100μs-200μs(默认)-500μs–1000μs。

在一种操作模式(模式1)中，脉冲被组合为四个连续脉冲的包；在另一种操作模式(模式2)中，脉冲被组合为16个连续脉冲的包。

在每个脉冲持续200μs(默认)的假设中，在模式1中，每个包因此持续约0.8ms，而在模式2中，每个包装持续约3.2ms。

以下列值之间的可选频率Fpacc重复包：50Hz-100Hz-150Hz-200Hz(在一个脉冲包和下一个脉冲包之间有一个时间DTpacc可在以下值之间选择：5ms-6.67ms-10ms-20ms)。

自然地，包可以由不同数量的脉冲组成，例如5或10个脉冲。

以间隔DTseq相同地重复脉冲包的序列，其中循环时间DTseq以200ms步长从200ms变化到10s。每个间隔DTseq又被分成相等持续时间的N＝20个子间隔DTn，如例如图3中所示。

此外，每个间隔DTseq被分成相等持续时间的两个间隔(TON和TOFF)；在TON间隔期间存在脉冲包，而在TOFF间隔期间没有包。例如，在图3中，对于信道n.1，TON时间包括子间隔1-10，而TOFF时间包括子间隔11-20。另一方面，对于信道n.2，TON时间包括子间隔11 20，而TOFF时间包括子间隔1-10。

在每个子间隔DTn内，然后每个可以具有(取决于序列的编程特征)：

-无脉冲包，或

-具有上述特征的一系列脉冲包(在图3中表示为“正方形”)。

在一个实施例中，包的特性(每个包的脉冲数，一个包与下一个包之间的时间间隔)和间隔DTseq对于所有通道是相同的，而幅度可以随通道而变化。

例如，DTseq＝1s＝>DTn＝1000ms/20＝50ms。假设每个脉冲持续200μs(默认)，使用模式2(n.16脉冲＝>3.2ms)并且DTpacc＝10ms，其中存在脉冲的每个子间隔DTn将包含四个包。

如果包跨越两个连续的子间隔DTk和DTk+1，其中子间隔DTk+1不包含包，则包本身在DTk的末尾被截断。另一方面，如果子间隔DTk+1也包含包，则包在该第二子间隔中继续。

因此，每个程序由以下参数完全定义：

-对于其中存在子间隔的每个通道，脉冲包；

-循环时间；

-锻炼时间；

-基本脉冲的持续时间；

-每个包的脉冲数；

-引导通道(如果存在)和这种通道的脉冲特征(单极或双极)；

-脉冲的方向(传入或传出)；

-脉冲包的频率。

应当注意，当程序运行时，循环时间和脉冲幅度都可以变化。

在操作上，电刺激过程如下进行：

1.使用PROGRAM+/-按钮选择的程序；

2.为所选程序选择的参数；

3.按下ENTER按钮确认；然后将所选程序添加(排队)到要执行的程序序列中；

4.对于希望添加到序列中的每个程序重复的步骤1至3；

5.通过START按钮或通过遥控启动所选择的程序的序列；

6.如果希望过早地结束整个序列，则按下STOP按钮；如果在执行序列期间改为希望中断当前程序的执行以转到下一个程序，则按下ENTER按钮。

总之，所提出的电刺激方法和装置基于在围绕正在执行的人体运动的生理模型的循环运动，即重复，期间身体的主要肌肉群的同步肌电刺激。

换句话说，以指定频率发送到肌肉群的电刺激的激活时刻与患者在那个时刻执行的自愿身体活动一致。

因此，肌肉纤维被激活，支持和加强脊柱水平的感觉***的功能，有助于监测每个运动循环的实施并激活必要的运动神经元。

在电刺激肌肉与运动不同的情况下，如在当前电刺激设备中发生的那样，相反，可能发生负面影响，因为脊柱水平的感觉***可能强制施加与其功能不对应的操作模式。

特别重要的是在各种形式的病理和创伤的康复期间考虑到这一点并且失去敏感性。

因此，人们可以获得分段脊柱***的锻炼，该***负责协调和同步的肌肉收缩，在矫正运动和合理控制流量直至分段水平时更加精确和快速。

所提出的电刺激方法和设备能够以这样的方式训练神经肌肉***，以获得利用现有技术的刺激方法无法实现的水平和响应速度。特别是，增加了速度、耐力和运动表现，减少了肌肉损伤的表现，变得更加可预测和可控制。

基于人类神经肌肉***的生理模型，所提出的电刺激方法允许肌肉收缩的过程被优化，并且更精确地：

-由于高阈值运动单元的电激活而增加肌肉收缩的爆发强度。如果在人体肌肉的最大肌肉收缩期间，通过与根据本发明的电刺激的组合，不超过70％的肌肉肌纤维被激活，则同时激活的肌肉纤维的数量可接近100％。这种激活可显著提高肌肉力量；

-增加脊柱水平的感觉***的同步，其控制肌肉收缩的控制。通过与功能的执行同步的进一步节奏性电激活(如心脏起搏器的情况)的动作，肌肉的感觉***被调节到运动的节奏，伴随着共振现象的发展，通过共振现象，刺激信息通过可用的神经通路被发送到上覆的神经中枢。由于电激活模式考虑了细胞水平的生理特征，神经肌肉连接的这种类型的循环性功能导致肌肉收缩的生化过程和沿着神经的激发的传递的优化，并且还导致运动神经元的尺寸的增加。因此，由于在细胞记忆水平上优化的操作模式的印记，突触数量增加，因此突触传递的可靠性增加；

-因为所进行的锻炼信息与理论和生理模型兼容，所以在不阻碍脊柱保护的情况下提高到达皮层中枢的信息速度而不阻碍脊柱保护。

为了训练运动员的耐力特性，可以对速度接近生理最大值的任何程序进行电刺激。这意味着在1秒内可以为一个肢体执行5个完整的运动循环(截止阶段为100ms，并且松弛阶段为100ms)。当然，相互支配的第二个分支将在第一个分支的放松阶段开始相同的运动。

通过所提出的电刺激方法，通过确保对于良好姿势必不可少的肌肉严格控制的正确操作，还可以包含和改善“背痛”的严重和衰弱状态。

此外，可以通过连续监测患者的生命功能来跟踪运动训练的各个阶段，这对于在刺激期间定义要遵循的训练类型和要获得的强度非常重要。

对于根据本发明的电刺激方法和装置的实施例，为了满足偶然需要，本领域技术人员可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下，对功能上等同的其他元件进行一些元件的修改、适应和替换。被描述为属于可能实施例的每个特征可以独立于其他描述的实施例来实现。

Claims

1.负责进行复杂运动的至少一个肌肉群的电刺激方法，包括以下步骤：

-将设置有至少一个相应电极的电刺激通道与所述至少一个肌肉群的每个肌肉相关联，每个电刺激通道适于将双极电脉冲依次传输到相应肌肉；

-为所有所述电刺激通道确定限定能够重复的刺激周期的相同循环时间，其中，在所述刺激周期内，每个通道执行其自己的刺激序列；

-将每个刺激周期细分为两个相等持续时间的半周期；

-将每个半周期细分为多个相同持续时间的子间隔，

其中，至少一个所述子间隔是刺激子间隔，在所述刺激子间隔内执行包括一个或多个脉冲包的基本脉冲序列，每个脉冲包由预定的单个双极电脉冲序列给出，

并且其中，每个通道的每个刺激周期具有不含基本脉冲序列的半周期，并且具有带有至少一个刺激子间隔的另一半周期。

2.负责进行复杂运动以改善运动员的运动表现的至少一个肌肉群的电刺激方法，包括以下步骤：

-将每个刺激周期细分为两个相等持续时间的半周期；

-将每个半周期细分为多个相同持续时间的子间隔，

其中，所述子间隔中的至少一个子间隔是刺激子间隔，在所述刺激子间隔内执行包括一个或多个脉冲包的基本脉冲序列，每个脉冲包由预定的单个双极电脉冲序列给出，

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个刺激子间隔中的脉冲包的数量和每个脉冲包的脉冲的数量对于所有通道是相同的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，一个通道的刺激周期的刺激子间隔的数量和/或时间分布不同于至少一个其他通道的刺激子间隔的数量和/或时间分布。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果刺激周期具有多于一个刺激子间隔，则刺激间隔是连续的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，一个通道的脉冲的幅度不同于至少一个其他通道的脉冲的幅度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通道的刺激序列的第一脉冲或最后脉冲的幅度显著大于剩余脉冲的幅度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：将经受所述电刺激方法的人能够感知的声学和/或视觉信号的发射与预定的电刺激通道的激活相关联。

9.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述预定的电刺激通道是被激活以启动每个刺激周期的电刺激通道。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

-通过应用于至少一个肢体或肢体部分的基于传感器的监测***检测患者或运动员执行的运动的周期的有效持续时间；

-将电刺激程序的预定循环时间与由所述监测***提供的实际循环时间进行比较，如果不匹配，

-调整所述电刺激程序的循环时间，以使其适应测量的循环时间。

11.根据前一权利要求所述的方法，其中，通过重新计算和重置每个子间隔的持续时间来执行所述电刺激程序的循环时间的调节。

12.刺激负责进行复杂运动的至少一个肌肉群的电刺激设备，包括：

-多个电刺激通道，设置有至少一个相应电极，每个电刺激通道适于将双极电脉冲依次传输到相应肌肉；

-至少一个适合产生电脉冲序列的电源板；

-存储设备，在所述存储设备中存储至少一个电刺激程序；

-电子控制单元，适于根据存储在所述存储设备中的电刺激程序控制所述电源板，

其中：

-所述电刺激程序是通过在每个电刺激通道上重复电刺激周期或具有相同循环时间的间隔给出的，在每个刺激周期内，为每个通道定义其自身的刺激序列，

-每个刺激周期分为两个相等持续时间的半周期，

-每个半周期被分成多个相等持续时间的子间隔，

-所述子间隔中的至少一个子间隔是刺激子间隔，在所述刺激子间隔内，执行包括一个或多个脉冲包的基本脉冲序列，

-每个脉冲包由预定的单个双极电脉冲序列给出。

13.根据前一权利要求所述的设备，其中，每个电源板适于产生对称的和方形双极电脉冲序列，每个双极性脉冲由一个方波组成，所述方波具有被分为两个相等持续时间的半周期的脉冲周期，一个半周期为正幅度，并且另一半周期为负幅度。

14.根据权利要求12或13所述的设备，其中，每个刺激子间隔中的脉冲包的数量和每个脉冲包的脉冲的数量对于所有所述通道是相同的。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的设备，其中，通道的刺激周期的刺激子间隔的数量和/或时间分布不同于至少一个其他通道的刺激子间隔的数量和/或时间分布。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的设备，包括用于产生声学和/或视觉信号的装置，所述声学和/或视觉信号以一种方式能够操作地选择性地连接到所述电刺激通道之一，所述方式使得在激活所述电刺激通道时，通过产生装置产生对经历所述电刺激治疗的受试者能够察觉的听觉和/或视觉信号。

17.根据权利要求12-16中任一项所述的设备，包括至少一个传感器，所述传感器能够应用于至少一个肢体或肢体部分并且适于产生指示复杂电刺激运动的实际持续时间的信号，所述电子控制单元适于接收由至少一个传感器产生的信号，并且被配置为：

-将所述电刺激程序的预定循环时间与所述复杂运动的实际持续时间相比较，并且如果不匹配，

-自动调整所述电刺激程序的循环时间，以使其适应所测量的所述复杂运动的实际持续时间。