用于超声脊髓刺激的设备和方法技术

提供了一种用于超声刺激脊髓的设备和方法。该方法包括至少两个刺激周期，每个周期包括以下步骤：a)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像(S1)；b)从第一实时脊髓图像中选择脊髓的预定刺激区域(S2)；c)计算所选择的刺激区域相对于第二组超声换能器的位置和取向(S3)；d)使用第二组超声换能器在计算出的相对位置和取向处刺激脊髓的所选择的刺激区域(S4)。

Equipment and methods for ultrasound stimulation of spinal cord

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于超声脊髓刺激的设备和方法
本公开大体涉及用于瘫痪后的功能康复的脊髓刺激的设备和方法，尤其涉及用于超声图像引导的超声脊髓神经调节的设备和方法。
技术介绍
哺乳动物脊髓由能够控制日常生活的不同功能的专门的神经网络(SNN)组成。特殊的中间神经元位于脊髓的颈椎和腰椎增大处。它们形成神经元网络，这些神经元网络在涉及到达、抓握、呼吸、咳嗽、说话、站立、踩踏、膀胱和碗状排尿、姿势控制等的神经肌肉活动中起重要作用。相信包括人类在内的所有哺乳动物都在颈椎和腰骶脊髓区域具有SNN。位于腰骶脊髓的SNN组织有规律的腿部运动，该有规律的腿部运动对于运动(例如步行)至关重要。正常情况下，SNN的活动以脊椎上的方式并且由周围的感觉输入调节。在大脑和脊髓之间的连接中断的情况下(例如，由于受伤或疾病引起)，仍然可以通过外部刺激(例如对腰骶SNN的电刺激)来实现运动功能。因此，可以通过神经调节，特别是通过SNN的脊髓刺激来恢复或改善截瘫患者的步行功能。有几种刺激脊髓神经回路的方法。这些包括电刺激和磁刺激两者。通过电压或电流进行的脊柱刺激主要分为三种：脊柱内刺激(IS)，硬膜外刺激(ES)和经皮刺激(TS)。在这些电刺激方法中，脊柱内刺激和硬膜外刺激通常是侵入性的。它们分别通过脊柱内穿透电极和硬膜外放置的电极递送。对于经皮刺激，通过经皮表面电极传递电刺激。换句话说，它是非侵入性的。磁刺激方法通常是非侵入性的。磁刺激利用放置在脊柱上的常规经颅磁刺激(TMS)线圈。研究人员和医学从业人员发现很难在非侵入性和有效性之间取得平衡。侵入性刺激方法允许更精确地定位刺激。脊柱内刺激方法能够瞄准微米范围内的区域。它可以将刺激传递到任何区域，包括脊髓的背侧和腹侧结构。侵入性较小的硬膜外刺激方法可以实现毫米范围内的精度，并且背侧刺激的深度不能深过背侧结构(即它不能到达腹侧结构)。重要的是要注意，由于外科手术非常复杂且危险，使硬膜外植入物达到脊髓的腹侧表面是不可行的。非侵入性磁刺激方法具有厘米分辨率，而经皮刺激方法只能执行广泛的非特异性刺激，该刺激通过传入途径激活脊髓。更好的刺激定位通常意味着更有效的康复。通过脊髓内的脊柱内刺激来达到支撑体重的站立被认为是可行的。另一方面，传统上发现硬膜外刺激对抑制疼痛有效，但最近的研究表明其在瘫痪后康复中具有潜力。发现仅经皮刺激不比在中性重力位置诱发腿的有规律的活动或在机器人驱动的支撑体重的直立姿势下更有效。最后，研究表明，磁刺激只能在支撑体重的直立姿势中诱导出非常有限的步行状模式。关于侵入性刺激方法的有效性，存在手术、生物相容性和诱导的可塑性的问题。脊柱内电刺激和硬膜外电刺激两者都需要对脊柱进行手术椎板切除术，以植入刺激电极。需要在患者的背部做另一个切口以植入刺激器。植入的电极和刺激器通常保持工作几年，因此可能需要频繁手术以更换电极、电池或刺激器。此外，由于无法接受手术，许多瘫痪的患者可能无法被纳入这些治疗。这些问题是在瘫痪后使用侵入性(脊柱内和硬膜外)刺激方法进行功能康复的主要障碍。
技术实现思路
因此，存在对于一种新型的消除或减少上述缺点和问题的神经调节技术的需要。特别是，理想的干预措施应该是非侵入性的并且又有足够定位能力。提供了一种用于超声刺激脊髓的方法，该方法包括至少两个刺激周期，每个周期包括以下步骤：a)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像；以及b)从第一实时脊髓图像中选择脊髓的预定刺激区域；c)计算所选择的刺激区域相对于第二组超声换能器的位置和取向；以及d)使用第二组超声换能器在计算出的相对位置和取向上刺激脊髓的所选择的刺激区域。在某些实施例中，每个刺激周期还包括以下步骤：e)在步骤d)的同时或之后，使用第一组超声换能器获得第二实时脊髓图像；以及f)从第二实时脊髓图像中识别出脊髓的实际刺激区域；以及g)基于实际刺激区域与预定刺激区域之间的差异，调节步骤b)至d)中的至少一个。在某些实施例中，所述差异包括实际刺激区域与预定刺激区域之间的位置、轮廓和/或大小的差异。在某些实施例中，差异包括在实际刺激区域处的肌肉的诱发响应。在某些实施例中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从第一实时脊髓图像中选择脊髓的预定刺激区域。在某些实施例中，调节步骤c)包括补偿相对于第二组超声换能器的所选择的刺激区域的位置和取向的计算。在某些实施例中，调节步骤d)包括调节以下中的至少一个：超声束的焦点、聚焦区域、强度和频率，以及刺激周期的占空比、重复率和持续时间。在某些实施例中，第二实时脊髓图像由第一组超声换能器以每秒2,000帧以上的速率获取。在某些实施例中，每个刺激周期还包括以下步骤：h)在步骤d)的同时或之后，从脊髓的预定刺激区域神经支配的肌肉中收集代表肌肉收缩的信号；和i)基于该信号调节步骤b)至d)中的至少一个。在某些实施例中，该信号包括肌电图(electromyography)、声肌图(sonomyography)、肌声图(mechanomyography)或神经电图(electroneurography)信号中的至少一种。在某些实施例中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从第一实时脊髓图像中选择脊髓的预定刺激区域。在某些实施例中，调节步骤c)包括补偿相对于第二组超声换能器的所选择的刺激区域的位置和取向的计算。在某些实施例中，调节步骤d)包括调节以下中的至少一个：超声束的焦点、聚焦区域、强度和频率以及刺激周期的占空比、重复率和持续时间。在某些实施例中，步骤b)包括选择脊髓的多个预定刺激区域的步骤，并且步骤d)包括同时对脊髓的多个所选择的刺激区域进行多焦点刺激的步骤，以便同时激活运动功能所需的多个肌肉群。在某些实施例中，在步骤d)中，第二组换能器的超声束通过穿过椎骨与椎板之间的间隙而到达脊髓的所选择的刺激区域。提供了一种用于超声刺激脊髓损伤或疾病的康复的方法，该方法包括：i)将干细胞注入到脊髓的预定区域中，ii)执行至少两个刺激周期，每个周期包括以下步骤：a)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像；b)从第一实时脊髓图像中选择干细胞或具有干细胞的脊髓的预定区域；c)相对于第二组超声换能器计算干细胞或具有干细胞的脊髓的所选择的区域的位置和取向；和d)使用第二组超声换能器以计算出的相对位置和取向刺激干细胞或脊髓的所选择的的预定损伤区域。在某些实施例中，每个刺激周期进一步包括以下步骤：e)在步骤d)同时或在之后，使用第一组超声换能器获得第二实时脊髓图像；f)从第二实时脊髓图像中识别注入的干细胞；和g)基于干细胞的诱发响应，调节步骤b)至d)中的至少一个。在某些实施例中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从第一实时脊髓图像中选择干细胞或具有干细胞的、脊髓的预定区域。在某些实施例中，调节步骤c)包括相对于第二组超声换能器补偿干细胞或具有干细胞的、脊髓的所选择的区域的位置和取向的计算。在某些实施例中，调节步骤d)包括调节以下中的至少一个：超声束的焦点、聚焦区域、强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超声刺激脊髓的方法，所述方法包括至少两个刺激周期，每个周期包括以下步骤：/na)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像；/nb)从所述第一实时脊髓图像中选择脊髓的预定刺激区域；/nc)计算所选择的刺激区域相对于第二组超声换能器的位置和取向；和/nd)使用所述第二组超声换能器在计算出的相对位置和取向处刺激脊髓的所述所选择的刺激区域。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于超声刺激脊髓的方法，所述方法包括至少两个刺激周期，每个周期包括以下步骤：
a)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像；
b)从所述第一实时脊髓图像中选择脊髓的预定刺激区域；
c)计算所选择的刺激区域相对于第二组超声换能器的位置和取向；和
d)使用所述第二组超声换能器在计算出的相对位置和取向处刺激脊髓的所述所选择的刺激区域。


2.根据权利要求1所述的方法，每个刺激周期还包括以下步骤：
e)在步骤d)的同时或之后，使用所述第一组超声换能器获得第二实时脊髓图像；
f)从所述第二实时脊髓图像识别脊髓的实际刺激区域；和
g)基于实际刺激区域与预定刺激区域之间的差异来调节步骤b)至d)中的至少一个。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述差异包括所述实际刺激区域与所述预定刺激区域之间的位置、轮廓和/或大小的差异。


4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述差异包括肌肉在所述实际刺激区域处的诱发响应。


5.根据权利要求2所述的方法，其中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从所述第一实时脊髓图像中选择所述脊髓的预定刺激区域。


6.根据权利要求2所述的方法，其中，调节步骤c)包括补偿所述所选择的刺激区域相对于所述第二组超声换能器的位置和取向的计算。


7.根据权利要求2所述的方法，其中，调节步骤d)包括调节以下各项中的至少一项：超声束的焦点、聚焦区域、强度和频率，以及刺激周期的占空比、重复率和持续时间。


8.如权利要求2所述的方法，其中，所述第二实时脊髓图像由所述第一组超声换能器以每秒2,000帧以上的速率获取。


9.根据权利要求1所述的方法，每个刺激周期还包括以下步骤：
h)在步骤d)的同时或之后，收集代表来自脊髓的预定刺激区域的受神经支配的肌肉的肌肉收缩的信号；和
i)基于所述信号调节步骤b)至d)中的至少一个。


10.如权利要求9所述的方法，其中，所述信号包括肌电图、声肌图、肌声图或神经电图信号中的至少一种。


11.根据权利要求9所述的方法，其中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从所述第一实时脊髓图像中选择所述脊髓的预定刺激区域。


12.根据权利要求9所述的方法，其中，调节步骤c)包括补偿相对于所述第二组超声换能器的所选择的刺激区域的位置和取向的计算。


13.根据权利要求9所述的方法，其中，调节步骤d)包括调节以下中的至少一项：超声束的焦点、聚焦区域、强度和频率，以及刺激周期的占空比、重复率和持续时间。


14.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)包括选择脊髓的多个预定刺激区域的步骤，并且步骤d)包括对脊髓的多个所选择的刺激区域进行同时多焦点刺激的步骤，以便同时激活运动功能所需的多个肌肉群。


15.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤d)中，所述第二组换能器的超声束通过穿过椎骨与椎板之间的间隙而到达所述脊髓的所选择的刺激区域。


16.一种用于超声刺激脊髓损伤或疾病的康复的方法，所述方法包括：
i)在脊髓的预定区域内注入干细胞，
ii)执行至少两个刺激周期，每个刺激周期包括以下步骤：
a)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像；
b)从第一实时脊髓图像中选择干细胞或具有干细胞的、脊髓的预定区域；
c)计算干细胞或具有干细胞的、脊髓的所选择的区域相对于第二组超声换能器的位置和取向；和
d)使用第二组超声换能器在计算出的相对位置和取向处刺激干细胞或具有干细胞的、脊髓的所选择的区域。


17.根据权利要求16所述的方法，每个刺激周期还包括以下步骤：
e)在步骤d)的同时或之后，使用第一组超声换能器获得第二实时脊髓图像；
f)从第二次实时脊髓图像识别干细胞；和
g)基于干细胞的诱发响应调节步骤b)至d)中的至少一个。


18.根据权利要求17所述的方法，其中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从所述第一实时脊髓图像中选择干细胞或具有干细胞的、所述脊髓的预定区域。


19.根据权利要求17所述的方法，其中，调节步骤c)包括对干细胞或具有干细胞的、脊髓的所选择的区域相对于所述第二组超声换能器的位置和取向的计算进行补偿。


20.根据权利要求17所述的方法，其中，调节步骤d)包括调节以下中的至少一项：超声束的焦点、聚焦区域、强度和频率，以及刺激周期的占空比、重复率和持续时间。


21.一种用于运动动作的凭意志触发的方法，该方法包括：
i)接收代表预期的运动动作的脑信号，
ii)参考已建立的脊髓功能映射确定脊髓的刺激区域；
iii)执行至少两个刺激周期，每个刺激周期包括以下步骤：
a)使用第一组超声换能器获得第一实时脊髓图像；
b)从第一实时脊髓图像中选择脊髓的所确定的刺激区域；
c)计算所选择的刺激区域相对于第二组超声换能器的位置和取向；和
d)使用第二组超声换能器在计算出的相对位置和取向上刺激脊髓的所选择的刺激区域。


22.根据权利要求21所述的方法，每个刺激周期还包括以下步骤：
e)在步骤d)的同时或之后，使用第一组超声换能器获得第二实时脊髓图像；
f)从第二实时脊髓图像中识别脊髓的实际刺激区域；和
g)基于实际刺激区域与所确定的刺激区域之间的差异来调节步骤b)至d)中的至少一个。


23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述差异包括所述实际刺激区域与所确定的刺激区域之间的位置、轮廓和/或大小的差异。


24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述差异包括肌肉在所述实际刺激区域处的诱发响应。


25.根据权利要求22所述的方法，其中，调节步骤b)包括优化图像识别算法，以从所述第一实时脊髓图像中选择脊髓的所确定的刺激区域。


26.根据权利要求22所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·M·阿莱姆，郑永平，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81