一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统技术方案

本发明专利技术涉及一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，包括：上位机、刺激器、生物刺激电极、参考电极、膝关节角度采集器、阻抗测量电路和继电器切换电路。本发明专利技术系统通过正负电压脉冲刺激信号刺激特定的CPG位点，利用传感器跟踪捕获膝关节角度数据，建立信号与步态的映射关系模型，通过实时反馈给处理器的步态关节角度信息，形成闭环调控。根据映射关系模型设定训练参数对SCI大鼠进行步态训练。与正常步态相比，可以在正常步态一定范围内进行调控。围内进行调控。围内进行调控。

【技术实现步骤摘要】
一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统


[0001]本专利技术涉及康复工程领域的智能控制电子系统及其控制方法，特别的采用单端口的刺激电极通过正负电压脉冲信号来实现调控大鼠后肢的交替运动。

技术介绍

[0002]传统的脊髓刺激器是以运动神经元为激活对象，而神经元控制的动作相对单一，所以完成一个相对复杂的协调动作，需要多个电极按一定时序进行FES才能实现。若能以神经元网络为激活对象可有效减少刺激电极数量并简化时序。在脊椎动物中，位于脊髓中的中枢模式发生器(central pattern generator, CPG)是一组神经元网络，生成有节奏的控制输出，能够将自主生成的信号与来自高级中枢的控制信号相结合产生步态运动。故采用激活CPG开展步态调控，将可以用更接近生理状况的方式和极少的电极数恢复步态运动。
[0003]以脊髓中的CPG作为刺激靶点，让单端口刺激电极实现双后肢运动调控的方法成为可能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，实现大鼠的步态训练。
[0005]研究发现，控制双侧下肢交替运动的CPG位点有多个，但刺激信号极性反转引起交替运动模式发生翻转的位点，每侧只有一个。其中正脉冲刺激右侧CPG位点，诱发大鼠右侧后肢伸展、左侧后肢屈曲的动作；负脉冲刺激右侧CPG位点，诱发大鼠右侧后肢屈曲、左侧后肢伸展的运动，形成完整的步态运动。以右侧的CPG作为靶点，用单个刺激电极的实现SCI大鼠双侧步态运动闭环调控与康复训练。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，其特征在于包括：—刺激器，与上位机通讯，根据上位机的指令输出脉冲信号给生物刺激电极；采集膝关节角度采集器两个传感器的位置信息，并据此计算得到大鼠后肢的膝关节角度变化数据并发送给上位机进行保存；—生物刺激电极，采用钨丝单端电极或者表面电极，固定于脊髓表面诱发步态运动的关键位点，对该关键位点施加电激励以实现步态重建，所述脊髓表面诱发步态运动的关键位点是指位于脊髓L2节段背侧表面，对其施加电激励脉冲即能产生左右下肢中一个向前迈另一个往后蹬的动作、改变电激励脉冲的极性可使左右下肢动作方式交换反转的位点；—参考电极，置于距离所述关键位点4cm以内的肌肉或脊髓处；—膝关节角度采集器，包含两个固定于大鼠后肢的传感器，实时地采集传感器的位置信息并发送至刺激器；—阻抗测量电路，包含阻抗测量芯片，用于测量与脊髓接触时电极端口间的阻抗；
—继电器切换电路，用于将参考电极和生物刺激电极在接入阻抗测量电路和刺激电路之间进行切换，切换指令来由刺激器发出。
[0007]进一步的，所述继电器切换电路包括串联在回路中的继电器和三极管，三极管的基极连接刺激器的切换指令输出端，继电器具有与生物刺激电极连接的第一端口、与参考电极连接的第二端口；当继电器不得电时，第一端口与阻抗测量芯片的阻抗测量输出端连接，第二端口与阻抗测量芯片的阻抗测量输入端连接，此时通过阻抗测量芯片测量与脊髓接触时电极端口间的的阻抗，并发送给刺激器；当继电器得电时，第一端口与刺激器的脉冲信号发生端口连接，第二端口接地，此时刺激器通过刺激电极刺激大鼠CPG位点。
[0008]本专利技术还要求保护单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统的使用方法，其特征在于包含以下步骤：步骤1、刺激器获取上位机“开始试验”的指令，通过阻抗测量电路测量电极端口间的的阻抗，并将测量结果反馈给刺激器；步骤2、刺激器判断与脊髓接触时电极端口间的阻抗是否在允许范围内，如果在允许范围内，则执行步骤3，否则向实验者发出提醒；步骤3、刺激器向继电器切换电路输出控制信号，使继电器得电动作，使得参考电极和生物刺激电极接入刺激电路，刺激器通过刺激电极刺激大鼠CPG位点。
[0009]进一步的，步骤3还包括刺激脉冲的闭环调控方法：根据上位机选择的大鼠膝关节角度变化的参考系，刺激器以10Hz的频率采集大鼠后肢的膝关节角度，每采集一次与同一时刻的参考系角度进行对比，按照刺激器通过按键调控幅值得到膝关节角度的关系模型，刺激器自动增加或者减少脉冲的幅值以让大鼠的膝关节角度始终维持在参考系角度附近。
[0010]本专利技术系统通过正负电压脉冲刺激信号刺激特定的CPG位点，利用传感器跟踪捕获膝关节角度数据，建立信号与步态的映射关系模型，通过实时反馈给处理器的步态信息，形成闭环调控。根据映射关系模型设定训练参数对SCI大鼠进行步态训练。与正常步态相比，可以在正常步态一定范围内进行调控。
附图说明
[0011]图1为本专利技术单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统的框图。
[0012]图2为刺激电极、参考电极和膝关节角度采集器的安装位置示意图。
[0013]图3为继电器切换电路图。
[0014]图4为刺激脉冲的闭环调控算法流程图。
具体实施方式
[0015]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0016]图1为本专利技术实施例单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统的框图，本系统包括：上位机、刺激器、生物刺激电极、参考电极、膝关节角度采集器、阻抗测量电路和继电器切换电路。如图2所示为刺激电极、参考电极和膝关节角度采集器的安装位置示意图。
[0017]其中，刺激器与上位机通讯，根据上位机的指令输出脉冲信号给生物刺激电极；采
集膝关节角度采集器两个传感器的位置信息，并据此计算得到大鼠后肢的膝关节角度变化数据并发送给上位机进行保存。脉冲信号包含交替的正电压脉冲信号串和负电压脉冲信号串，所述正电压脉冲信号串和负电压脉冲信号串中，脉冲信号的脉宽为200us，脉冲信号的间隔为30ms，脉冲信号的数量为25
‑
35个，正电压脉冲信号串起始和负电压脉冲信号串起始之间的时间间隔为步态周期的二分之一。正脉冲信号的电流幅值范围为220～500μA，负脉冲信号的电流幅值范围为
‑
500～
‑
220μA。
[0018]本实施例中，刺激器的核心由STM32F103组成，结合ZigBee与上位机进行无线通信。STM32F103有电压输出型的DAC，系统配置12位数字输入DAC同时应用两个定时器，设计脉冲电压幅值的调控输出信号，经过LM358N构成电压跟随器与减法电路产生刺激CPG位点所需要的正负脉冲信号。为了得到步态角度数据与信号参数的关系模型，刺激器配备按键调控信号参数，记录角度数据。
[0019]CPG位点左右各一个，右侧关键位点的坐标范围为X=（0.377
±
0.196）*L1/2；Y=(0.780
±
0.143)*L2，左侧关键位点坐标范围为X=（
‑
0.385
±
0.182）*L1/2；Y=(
‑
0.779
±本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，其特征在于包括：—刺激器，与上位机通讯，根据上位机的指令输出脉冲信号给生物刺激电极；采集膝关节角度采集器两个传感器的位置信息，并据此计算得到大鼠后肢的膝关节角度变化数据并发送给上位机进行保存；—生物刺激电极，采用钨丝单端电极或者表面电极，固定于脊髓表面诱发步态运动的关键位点，对该关键位点施加电激励以实现步态重建，所述脊髓表面诱发步态运动的关键位点是指位于脊髓L2节段背侧表面，对其施加电激励脉冲即能产生左右下肢中一个向前迈另一个往后蹬的动作、改变电激励脉冲的极性可使左右下肢动作方式交换反转的位点；—参考电极，置于距离所述关键位点4cm以内的肌肉或脊髓处；—膝关节角度采集器，包含两个固定于大鼠后肢的传感器，实时得将传感器的位置信息并发送至刺激器；—阻抗测量电路，包含阻抗测量芯片，用于测量与脊髓接触时电极端口间的阻抗；—继电器切换电路，用于将参考电极和生物刺激电极在接入阻抗测量电路和刺激电路之间进行切换，切换指令由刺激器发出。2.根据权利要求1所述的一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，其特征在于：所述脉冲信号包含交替的正电压脉冲信号串和负电压脉冲信号串，所述正电压脉冲信号串和负电压脉冲信号串中，脉冲信号的脉宽为200us，脉冲信号的间隔为30ms，脉冲信号的数量为25
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35个，正电压脉冲信号串起始和负电压脉冲信号串起始之间的时间间隔为步态周期的二分之一。3.根据权利要求1所述的一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，其特征在于：所述继电器切换电路包括串联在回路中的继电器和三极管，三极管的基极连接刺激器的切换指令输出端，继电器具有与生物刺激电极连接的第一端口、与参考电极连接的第二端口；当继电器不得电时，第一端口与阻抗测量芯片的阻抗测量输出端连接，第二端口与阻抗测量芯片的阻抗测量输入端连接，此时通过阻抗测量芯片测量与脊髓接触时电极端口间的的阻抗，并发送给刺激器；当继电器得电时，第一端口与刺激器的脉冲信号发生端口连接，第二端口接地，此时刺激器通过刺激电极刺激大鼠CPG位点。4.根据权利要求1所述的一种单端口电极刺激大鼠CPG位点的双后肢步态调控系统，其特征在于：关键位点左右各一个，右侧关键位点的坐标范...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈晓燕，邵巍，鲁松，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：