改善人平衡与步态并防止足部受伤的方法及设备技术

一种通过对足部和踝部进行神经刺激以提高人平衡和步态并防止足部受伤的方法和可穿戴系统。通过放置于可穿戴平台（例如鞋垫、短袜、鞋子、可拆卸鞋子嵌入物）中或其上的、或无支持平台的电极或振动执行器或其组合向个体的皮肤表面提供提高神经感觉的亚阈刺激。振动执行器也提供治疗目的（例如改善血液流动）的超阈刺激。执行器和电极由与控制器偶联的偏置信号发生器产生的偏置信号驱动。控制器控制的信号发生器用于产生非确定性随机信号，重复性模式或各种模式。出于使控制器最优化并对其编程的目的，控制器可任选包括用于和外部计算机连接的通信端口。可穿戴系统由电源提供能量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请数据本申请是于2003年3月6号提交的美国临时专利申请No.60/452,044的非临时申请。本专利技术是受到政府支持，在美国国立卫生研究院(National Institutes ofHealth)授权的基金(AG08812、AG04390、DK60295、HD40035和HD37880)资助下完成。政府对本专利技术享有一定权利。 专利技术
技术介绍
领域本专利技术涉及通过对足部和踝部进行神经刺激改善人的平衡和步态并防止足部受伤，特别是涉及一种可对足部和踝部提供神经刺激的可穿戴平台和最优化神经刺激的系统。
技术介绍
现已有各种用于支持足部和防止受伤的装置。例如，当前技术所述的被动正长石和吊带(例如，授予Townsend等的美国专利号6,692,454和授予Andersen的美国专利号6,676,618)。这些刚性或半刚性的装置一般直接支持足部或踝部以防止受伤、校正骨架排列问题或调整姿态。这样做可以实现在平衡和步态方面有益的改变，但却是通过被动的机械支持做到的。用于足部的可穿戴按摩设备也是已知的。例如，当前技术所述的可穿戴足部按摩仪(例如，授予Reilly的美国专利号No.5,835,899与5,913,838和授予Montgomery的美国专利号6,464,654)。按摩仪一般使用能使皮肤与皮下组织，包括肌肉产生偏转(即超阈的刺激)的机械装置。此外，当前技术也描述了可穿戴的足部加热仪(例如，美国专利号6,657,164)。这些装置一般直接用于缓解疼痛、加速皮肤血液流动和足部保暖，而非改善平衡或步态。加热仪一般使用电阻装置直接提升足部皮肤的温度。此外，发现向感觉细胞输入噪声信号可有效地减小感觉细胞的阈值从而改善人神经系统中的感觉细胞的功能。既然感觉细胞一般是基于阈值的单元，那减小其阈值就会降低导致感觉细胞响应(即，火)所需的外界刺激水平。因此，感觉细胞会对较低水平的外界刺激有响应，从而使之对普通细胞的阈值不响应。授予Collins的美国专利号5,782,873和6,032,074描述了一种通过降低感觉细胞阈值来改善其功能的方法和设备。尽管这些装置和方法实现了其各自特定的目标和要求，上述专利未披露通过对足部和/或踝部进行神经刺激来改善人平衡和步态并防止足部受伤的方法和装置，特别是能向足部和/或踝部提供神经刺激的可穿戴系统和使之最优化的系统。专利技术简述人与其它哺乳动物的平衡、步态和其它协同动作依赖实时控制响应于意志和环境变化的肌肉收缩。这种肌肉控制由中枢神经系统(CNS)协调，即大脑和脊髓，但也要依赖于四肢的感觉反馈。最重要的是传递与环境接触的皮肤和四肢位置的信息的机械感觉。缺少充分的机械感觉反馈与人的显著健康问题极其相关。这些问题包括，衰老的个体易于摔倒和糖尿病患者足部皮肤溃疡(开放性伤口)的发病率。各种称为机械性刺激感受器的专门化感觉细胞负责提供来自四肢的感觉信息流。机械性刺激感受器将来自身体运动和与环境相互作用的机械刺激转换为可由神经系统传递和解读的电信号。在各种解剖结构中发现的各种类型的机械性刺激感受器已由本领域科研人员鉴定。例如，在皮肤和深层皮下层中发现的Pacinian触觉小体和其它相关的神经元对触摸、伸展、受压和振动(“触觉感知”)敏感。其它机械性刺激感受器，例如神经腱梭和肌肉纺锤体，发现于肌腱、韧带、肌肉和关节内的组织。它们传递肌肉用力、肌肉伸展和关节角度(“关节感觉”或“本体感受”)的信息。机械性刺激感受器是基于阈值的单元。即，如果对感觉细胞的环境刺激强度不够，细胞不会激活并开始发出信号。这样的刺激即称为“亚阈的”。阈值以上的刺激称为“超阈的”。许多健康问题和疾病(例如衰老、糖尿病、中风、神经病、外伤和损伤等)会对机械性刺激感受器自身的敏感性、神经脉冲的传递(轴突上的动作电位)或对位于脊柱和大脑中心水平的神经脉冲的解读产生不利影响。机械性刺激感受器丧失敏感性基本上相当于阈电平上升。将特定形式的机械和电刺激应用于发现机械性刺激感受器的组织来改善机械性刺激感受器的敏感性是可能的。就上述观点而言，本专利技术和要详细描述的各种实施方案的总体目标是提供可将刺激形式非侵入性地呈递到皮肤表面的方法与设备，以此作为改善或提高机械性刺激感受器性能的方法。此外，本专利技术的总体目标也是提供作为感知功能退化个体的治疗方法。另外，本专利技术额外的目标是提供改善血液流动从而防止或减轻皮肤溃疡等的按摩治疗方法。重要的是，本专利技术和各种实施方案在提高普通机械性刺激感受器性能来弥补部分轴突传递和感觉信息的CNS解读问题中是有用的。类似地，提高机械性刺激感受器的敏感性可用于改善非神经不良个体的全面感觉运动性能。本专利技术有益地提供向鞋底和其它足部表面施加神经刺激以改善平衡和步态的新颖的方法和设备。此外，本专利技术有益地提供向踝部施加神经刺激以改善平衡和步态的新颖的方法和设备。本专利技术另一个目标是提供向鞋底和其它足部表面施加神经刺激以降低足部受伤可能性(特别是在糖尿病或其它神经病患者中)的新颖的方法和设备。本专利技术另一个目标是提供向鞋底和其它足部表面施加神经刺激以改善感觉运动性能(包括普通或田径运动所需的)的新颖的方法和设备。本专利技术另一个目标是提供向踝部附加的肌腱、韧带和肌肉施加神经刺激来改善平衡、步态和全面的感觉运动性能并降低足部受伤可能性的新颖的方法和设备。此外，本专利技术的一个方面是该神经刺激是这样的，即如Collins所述是亚阈的，其中所施加的信号为非确定性随机信号或反复的预定模式。本专利技术的另一方面是该神经刺激是超阈的，其中所施加的信号为非确定性随机信号或反复的预定模式。本专利技术的另一方面是可以机械或电的方式施加神经刺激于鞋底和足部和/或踝部的其它表面。本专利技术的另一方面是要提供向足部和/或踝部施加神经刺激的可穿戴系统，该系统包括含有至少一个向足部的机械性刺激感受器施加刺激的偏置信号输入装置的平台，至少一个偏置信号发生器来提供驱动信号从而驱动所述至少一个偏置信号输入装置，一个控制所述至少一个偏置信号发生器和所述至少一个偏置信号输入装置的控制装置和向该控制装置与所述至少一个偏置信号发生器供电的电源。本专利技术的另一方面是要提供一可穿戴系统，该系统包括至少一个置于或接近足部和/或踝部的电极，该电极向足部和/或踝部的机械性刺激感受器提供电刺激。本专利技术的另一方面是要提供一可穿戴系统，其中偏置信号输入装置是一粘滑电极(stick-slip electrode)系统，该系统包括包在外衣中的电极垫，亲水性且光滑的涂层，导电的水凝胶皮肤支架和粘合层。本专利技术的另一方面是要提供一可穿戴系统，其中可穿戴的平台是鞋、靴子和短袜，整体与短袜底部相连的鞋垫部分，可拆卸的鞋子嵌入物，可弯曲的可替换垫子，该垫子具有脚的形状、其下涂有黏合剂用于可拆卸地与鞋底相连，护踝，适应于将偏置信号输入装置与特定的足部和/或踝部解剖结构并置安放的定制结构，或其组合。本专利技术的另一方面是要提供一种可穿戴系统，该系统包括至少一种偏置信号输入装置作为振动执行器向足部和/或踝部的机械性刺激感受器提供刺激性振动。本专利技术的另一方面是要提供一种可穿戴系统，其中的平台包括一种可弯曲的基质材料，材料内封有振动传递装置和至少一种执行器，并且该平台是最优化的用于将振动传递至足部和/踝部表面。本专利技术的另一方面是要提供一种可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种向人的足部提供神经刺激的可穿戴系统，该系统包括：具有至少一个适合向足部的机械性刺激感受器施加刺激的偏置信号输入装置的平台；至少一个适合提供驱动信号从而驱动所述至少一个偏置信号输入装置的偏置信号发生器；一个控制所述 至少一个偏置信号发生器和所述至少一个偏置信号输入装置的控制装置；和向所述控制装置和所述至少一个偏置信号发生器提供电能的电源。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JD哈里，JJ科林斯，JB尼米，AA普里普拉塔，SJ科勒辛斯基，
申请(专利权)人：艾弗伦特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]