[发明专利]一种光电刺激脉冲生成方法和装置

说明书

本发明提供了光电刺激脉冲生成方法和装置。其基本思想是，根据受损神经的近脑端的神经信号，当神经信号超过一定幅度阈值，且满足不应期条件时，生成光电刺激脉冲，刺激相应的远脑端的受损神经(目标神经)，从而诱发肌肉运动，实现受损神经的运动功能重塑。本发明通过使用光电组合刺激，在减轻组织损伤的同时提高刺激分辨率，实现精确的肌肉运动控制；同时，根据神经信号的变化控制光电刺激脉冲的频率，将神经信号的强度反映在刺激频率中，通过控制光电刺激脉冲的频率，控制目标神经的神经元的动作电位的爆发率，从而控制肌肉实现不同程度的运动。

技术领域

本发明涉及神经信号处理分析与神经刺激领域，具体是一种光电刺激脉冲生成方法和装置。

背景技术

神经损伤会导致神经下传冲动丢失或减小，使受损神经所支配的肌肉不能完成其原有的收缩功能，从而失去运动能力。而通过一些刺激脉冲对受损神经进行刺激，可以使肌肉产生一定程度的收缩，从而模拟正常的自主运动以达到增加肢体活动能力和恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的，使得受损神经运动功能重塑成为可能。

早期用于运动功能重塑的神经刺激多采用程序中预先设定的脉冲序列，刺激模式单一且无法根据神经信号来调整刺激强度，使得对肌肉的控制精度较低，且肌肉易产生疲劳。一般而言，可以通过调节刺激脉冲的强度(刺激宽度和幅度)以及刺激脉冲的频率来调节被刺激神经产生肌肉运动的强度，但大多数现有的刺激脉冲只通过调节刺激强度来控制肌肉运动而刺激频率固定不变，例如，采用神经信号的幅度包络或幅值相关特征如平均绝对值、均方根值等对刺激强度参数进行比例调控。有文献指出，相比于脉宽调制刺激，频率调制方式在抗疲劳方面显示出更好的性能。因而，本发明拟根据神经信号的特点设计神经刺激脉冲生成算法，根据神经信号的变化控制神经刺激脉冲的频率，实现刺激频率变化，对受损神经施加频率变化的刺激，从而使肌肉产生不同强度的收缩运动。

注意到，现有的神经刺激多采用单一的电刺激或单一的激光刺激。单一的电刺激虽然易于控制和量化，但是空间分辨率低，容易导致靶神经细胞产生刺激伪迹；单一的激光刺激虽然空间分辨率高，但是能量难掌控，容易造成靶神经热损伤，有文献指出，在单一的激光刺激下，组织热消融阈值与激活阈值之比仅为2∶1，但是在光电组合刺激下，该比值可以提升到6∶1，大大提高了生物安全性。

因而，本发明从神经元的动作电位的特性出发，根据神经信号中动作电位的阈值特性设计神经刺激脉冲生成算法和装置，根据神经信号的变化调节神经刺激脉冲的频率，实现刺激频率变化，对受损神经施加频率变化的刺激，从而控制肌肉实现不同程度的运动。同时，本发明采用电刺激和激光刺激的组合刺激方案，不仅可以提高电刺激的空间分辨率，实现对神经的选择性刺激，同时还可以降低所需的电刺激能量和激光刺激能量，减轻对神经的电损伤和热损伤。因而，具有更好的生物相容性，能够更精确的对神经进行刺激，实现更精细的运动功能重塑。

发明内容

本发明的目的是实现受损神经的运动功能重塑，提供了一种光电刺激脉冲生成方法和装置。其基本思想是，根据受损神经的近脑端的神经信号，当神经信号超过一定幅度阈值，且满足不应期条件时，在相应的远脑端的受损神经上(目标神经)使用类似的神经脉冲信号进行刺激，从而诱发肌肉运动，实现受损神经的运动功能重塑。本发明根据神经信号的幅值信息和动作电位的发放率信息来产生光电刺激脉冲，将光电刺激脉冲用于受损神经运动功能的重塑，通过使用光电组合刺激，在减轻组织损伤的同时提高刺激分辨率。同时，根据神经信号的变化控制光电刺激脉冲的频率，将神经信号的强度反映在刺激频率中。由于在肌肉自主收缩时，中枢神经系统可通过募集运动神经元的数量(募集编码)以及被募集运动神经元的动作电位爆发率(爆发率编码)两种方法来控制力量输出。本发明通过控制光电刺激脉冲的频率，控制目标神经的神经元的动作电位的爆发率，从而控制肌肉实现不同程度的运动。