[发明专利]用于康复肌肉和评估康复进程的装置

说明书

技术领域

本申请主要涉及经受电刺激以实现康复效果的肌肉的生理状态的诊断和评估，和监视康复进程的装置和方法。

背景技术

骨骼肌由许多机械地连接在一起的特殊加长细胞组成。神经纤维在称为终板的区域处连接到肌细胞。肌细胞或细胞组与使其受神经支配的神经纤维的组合称为运动单位。运动单位有不同的大小，其中较大的运动单位比较小的运动单位产生更大的力。当肌肉收缩时，电信号沿神经纤维向下行进并使肌纤维的细胞壁去极化，因此在肌细胞内部触发生物化学过程，其产生收缩和力生成的抽搐。

在神经信号导致肌肉收缩的正常生理机能中，肌肉收缩的力由激活的运动单位数目、运动单位的大小、递送到运动单位的神经冲动的频率来调节。一般来讲，神经系统首先激活较小的运动单位以允许力的精细控制，且随着力需要的增加，较大的运动单位渐渐加入。

自从Galvani1791年在青蛙中观察到此类收缩，用于产生肌肉收缩的外部电刺激已被知晓。随着时间的推移，已知的是，电刺激肌肉以产生收缩的最节能方式是刺激运动单位的神经纤维，因为刺激神经纤维以引发收缩所需的能量是刺激肌肉以引发收缩所需的能量的约1/1000。

如果电刺激电极放置在支配肌肉的神经上，则单个的电脉冲将引起称为抽搐的肌肉的单次收缩。肌肉中的力迅速增加并更缓慢地衰减到零。

如果应用额外的刺激脉冲，则会产生额外的抽搐。如果刺激的速率使得新的刺激脉冲在先前的抽搐已经衰减前出现，则新的抽搐将主要叠加在先前的抽搐上，产生力的总和。由于刺激速率增加，该力的总和使得抽搐混合在一起产生流畅的收缩。力的产生从间歇的收缩(快速抽搐)过渡到流畅的收缩的刺激频率通常称为融合频率。以融合频率的速率或高于融合频率的速率的刺激引起流畅的力产生。总的来说，以显著高于融合频率的速率的刺激对收缩的强度或性质具有最小的影响(但可能对肌肉疲劳具有负面影响)。以高于获得期望(例如，最大的)力所必须的频率的刺激能源利用率低，这对于可植入设备来说是重要的考量。

在抽搐中收缩的肌肉量(且由此的收缩力)主要通过被刺激的运动单位数目确定。在电刺激情况下，力的强度可以通过改变电刺激的强度而被控制，一般来讲，越高的刺激强度将引发越高的力。由于刺激强度增加，更多的运动单位被召集以促成力的产生。

负责不同类型活动的肌肉可以具有不同的生理结构。肌纤维可以分类为一般地I型慢抽搐或II型快抽搐。分类参考电刺激时单独的肌纤维的收缩速度和力衰减。I型慢抽搐肌肉有时被称为“耐力肌”，诸如在背部保持脊柱稳定的肌肉或鸟类的飞行肌。II型快抽搐肌肉一般为随意肌，其负责关节的快速动作或诸如手部动作的精细的随意控制。肌肉类型之间且特别是肌肉的能量代谢途径之间有生物化学的和组织学的差异。

已经观察到随着时间的推移遭受废用性萎缩的I型慢抽搐肌肉可能在肌肉中变成更多II型快抽搐运动单位，也就是该肌肉变得较不耐疲劳。随着该萎缩的肌肉康复，随着时间的推移细胞类型再次从II型快抽搐回复到占主导地位的I型慢抽搐是可能的，从而提高肌肉的耐疲劳性。例如参见Lieber,Richard L.的“Skeletal muscle adaptability.II:Muscle properties following spinal-cord injury”，Developmental Medicine and Child Neurology28,No.4,533-42页(1986年8月)。

肌肉临床康复的一个目标是通过例如理疗和锻炼恢复正常的肌肉功能。例如，手术恢复期间，受伤后，或持续很久的卧床休养期后需要康复。理想地，萎缩的耐力肌的康复还将使肌纤维类型恢复成I型慢抽搐纤维。不进行活组织检查难以确定肌纤维类型，该活组织检查是有创程序。本发明的目的是满足未满足的提供不需要活组织检查而确定肌纤维类型的诊断装置和方法的临床需要。

功能性电刺激(FES)是在诸如中风或脊柱受伤而损伤神经系统后应用电刺激引起肌肉收缩以使肢体恢复活力。FES已是许多现有技术和科学出版物的主题。在FES中，目标一般是避开受伤的神经系统并对神经或肌肉直接提供电刺激，其刺激神经系统的活动。FES的一个远大目标是使瘫痪的人能够再次行走，而这需要活动多个关节的多块肌肉的协同作用。FES的挑战涉及由受刺激的肌肉和每块肌肉的控制系统以及作为整体产生期望动作(诸如站立和行走)的系统产生的力的分度(graduation)。