[发明专利]一种用于上肢功能恢复的闭环硬脊膜外电刺激系统

说明书

本发明公开了一种用于上肢功能恢复的闭环硬脊膜外电刺激系统。动作捕捉装置，实时获取多角度人体姿态图像并发送控制装置；脑电采集装置，实时获取脑电信号，脑电信号经放大和滤波发送控制装置；控制装置，接收人体姿态图像和脑电信号获得上肢姿态数据和脑电信号特征，生成电刺激指令并发送脊髓电刺激装置；脊髓电刺激装置，接收指令向人体脊髓发电刺激脉冲。本发明系统能够基于人体自身意志，主动调制支配人体上肢功能的神经活动，更有效地协助康复训练，促进人体上肢相关的神经环路的功能恢复。

技术领域

本发明涉及医疗领域的一种脊髓电刺激系统，尤其涉及一种用于脊髓损伤或脑卒中后的上肢功能恢复的闭环硬脊膜外电刺激系统。

背景技术

脑卒中或脊髓损伤引起的中枢神经系统的受损会导致人体无法正常产生控制运动的中枢神经系统指令或无法将这些指令传输给骨骼肌，引发上肢运动功能障碍，目前常用的一类解决方案是功能性电刺激，这种方法通过在人体上肢皮肤表面固定一组或多组电极来对相关肌肉进行电刺激，帮助人体进行手臂和手掌的运动，但缺点是容易引发肌肉疲劳，无法长时间工作。硬脊膜外电刺激能够在脊髓背侧硬脊膜上施加刺激电流，激发位于人脊髓上的中枢模式发生网络，增强脊髓回路的兴奋性，从而调动骨骼肌进行收缩，能够有效减轻肌肉疲劳现象，促进损伤的神经环路的重塑，但目前其在实际应用中时空分辨率有限，无法像功能性电刺激一样实现对上肢的精确控制。

发明内容

本发明的目的针对现有上肢功能性电刺激容易引起肌肉疲劳和上肢硬脊膜外电刺激技术时空分辨率不足的情况，开发一种闭环硬脊膜外电刺激技术，以人体实时的脑电信号和运动状态为依据实时改变电刺激策略，诱发相应神经环路的活动，补偿目标骨骼肌的运动。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

所述闭环硬脊膜外电刺激系统包括动作捕捉装置、脑电采集装置、控制装置、脊髓电刺激装置，其中：

所述动作捕捉装置，用于实时获取多角度的人体姿态图像，并将所述人体姿态图像发送给所述控制装置；

所述脑电采集装置，用于实时获取人体的脑电信号，脑电信号经过放大和滤波后发送给所述控制装置；

所述控制装置，接收来自动作捕捉装置的人体姿态图像和来自脑电采集装置的脑电信号，进而实时处理和分析人体姿态图像中的上肢姿态数据和脑电信号中的脑电信号特征，生成包含电刺激参数的指令并发送给所述脊髓电刺激装置；

所述脊髓电刺激装置，接收所述控制装置发来的包含电刺激参数的指令，向人体脊髓发送电刺激脉冲。

所述动作捕捉装置主要由至少两台摄像头组成，摄像头从多视角采集人体上肢的图像作为人体姿态图像。

所述脑电采集装置至少包括多个采集通道、一个参考通道和脑电电极阵列，脑电电极阵列包含了多个布置在人体头部大脑的电极，每个采集通道分别连接各自的一个电极，参考通道连接一个电极并接地，采集通道的各个电极布置在不同的脑区上，采集脑区的脑电变化。

所述脑电采集装置包含用于对各个通道所采集的原始电信号进行处理的前置放大器、差分放大器和模拟滤波器，各个通道所采集的原始电信号依次经前置放大、差分放大和滤波处理后输出到控制装置。

所述控制装置接收人体实时的姿态数据和原始脑电信号并进行预处理，生成处理后的上肢姿态数据和脑电信号特征，再根据上肢姿态数据和脑电信号特征获得人体的当前运动状态和目标状态的差异，生成电刺激指令，发送给所述脊髓电刺激装置。

所述控制装置存储有基于深度学习的人体姿态估计程序，能够通过深度学习模型根据所述动作捕捉装置传输的多视角的人体姿态图像标注出人体上肢的关键点，并三维重建出各个关键点的空间坐标，生成人体上肢的运动学数据作为上肢姿态数据；

所述控制装置存储有脑电信号处理程序，脑电信号处理程序对所述脑电采集装置传输的原始脑电信号进行带通滤波和空间滤波后，获得脑电信号特征；