一種增強神經生理功能的方法和裝置的制作方法

專利名稱：一種增強神經生理功能的方法和裝置的制作方法
相關的U.S.申請數據本申請是美國臨時專利申請第60/377,202號的非臨時權利申請。
本發明的背景發明領域本發明涉及增強神經生理功能的方法和裝置，例如感覺運動支配和神經可塑性，通過結合感覺細胞功能的改善和預定的體育活動，并應用特定的裝置。
相關文章的描述哺乳動物的神經系統是一組復雜的相互聯系和相互作用的亞系統。所述亞系統通過它們的解剖部位和功能來分類和命名。總的來分，神經系統分為中樞和外周神經系統。中樞神經系統(CNS)包括大腦和脊髓；外周神經系統(PNS)包括在CNS外發現的所有剩余的神經結構。所述PNS進一步功能性的分為軀體(隨意)和自主(非隨意)神經系統。所述PNS也可結構的描述為包括傳入(感覺)神經，它將信息輸送到CNS，以及傳出(運動)神經，它將信息從CNS傳出。
在脊髓和大腦中發現了傳出和傳入神經之間的相互聯系。總而言之，特定種類的傳入和傳出神經組成了感覺運動“回路”，它對于面對環境干擾和意向變化時實現協調運動來說是必需的。在外周(軀干、上肢和下肢)，傳入神經運輸來自特殊神經元的感覺信息，這些神經元對疼痛、溫度和機械刺激敏感，皮膚表面的接觸和振動，以及深部結構的方位、力和伸展，例如肌肉、腱、韌帶和關節囊。名詞“本體感覺”通常應用于和肢體位置覺和肌肉收縮直接相關的感覺信息。和觸覺(觸)一起，機械感覺信息共同稱為“軀體感覺”。
特殊的“機械性刺激感受器”神經元將軀體和環境相互作用產生的機械刺激轉換為電信號，例如可被神經系統傳遞和翻譯的電信號。皮膚中環層小體被觸覺所刺激。肌梭，被發現散布在骨骼肌組織中，由于外周肌肉的伸展狀態而激活。高爾基腱器官感覺腱中的力水平。關節周圍結構(韌帶、半月板等)中的游離神經末梢提供了關于關節位置的附加信息。一些這種機械性刺激感受器系統被認為通過興奮和抑制性突觸以及減少通路而直接相互作用，從而調節來自其他機械性刺激感受器系統信號的功能和翻譯。
所有類型的感覺細胞典型的是閾-依賴單位。那就是說，如果對于感覺細胞的刺激不足夠大，所述細胞就不會激活和產生信號。這種刺激稱為“閾下刺激”。高于閾值的刺激稱為“超閾刺激”。
神經系統—大腦、脊髓和外周神經中的連接在面對置于軀體的需求時是高度可變的新形式的活動，病態和受傷。對于健康的個體，這些神經變化可使之獲得新的體育技能，一種稱為“運動學習”的過程。在特定類型的軟組織受傷后(例如膝前交叉韌帶的斷裂，一種在機械性刺激感受器中富含的結構)，接下來用醫學努力例如手術修復損害，神經系統可經歷代償性改變來適應天然感覺神經元的喪失。相似的PNS和CNS神經系統變化是一些個體在脊髓或大腦損傷后能重新恢復喪失的運動功能的原因。總而言之，這些神經系統中的結構改變稱為“神經可塑性”或“神經可塑性變化”。
最近的研究顯示，從神經末稍周圍的傳入(感覺)活性是PNS和CNS神經系統中神經可塑性變化的關鍵驅動之一。
本發明關心的是神經末稍周圍的機械感覺神經元及其作用，尤其是在感覺運動控制和誘導神經系統的神經可塑性變化中的作用。在本發明中，我們將現有技術中增強個體感覺細胞功能的方法和新的方法和設備相結合以增強感覺運動控制和神經可塑性。重要的是，增強的感覺細胞功能的本質在于，在信息富集模式下，響應環境刺激的天然發射速率(firing rate)增加了。這就是說，增加的感覺細胞發射與肢體功能相一致，從而自然就不會不協調。
對組織進行電刺激已被用于各種治療目的，其中包括刺激肌肉活性，緩解疼痛和產生感覺。隨著電刺激強度的增加，其效果依次為觸電感(麻刺感)模式，感覺增強，肌肉自發性收縮，疼痛，然后是電灼燒或心律不齊形式的損傷。
過去，出于緩解疼痛的治療目的，具有可調節的脈沖周期、強度和脈沖寬度的脈沖電波被用于人體特定部位。電波治療，如授予Bastyr等人的美國專利5,487,759，已被用于慢性病、手術和外傷后劇痛的癥狀緩解和治療，并用于放松肌肉以延遲肌肉萎縮。
在美國專利No.5782873和6032074(Collins)中描述了用于提高感覺細胞功能的感知水平下刺激(即，閥下刺激)，其內容整體參考引用于此。Collins公開了通過有效降低其激發(firing)閥值來提高感覺細胞功能的非和設備。簡而言之，將閥下刺激或偏置信號輸入感覺神經元，它傾向于使神經元激發，而實際上并不會使它激發。在一個優選實施方式中，所述偏置信號是包含許多頻率的寬帶信號，常稱為“噪聲”。由于感覺細胞常常是閥值基單元，將感覺細胞的閥值降低，降低導致感覺細胞響應所需的外部刺激水平。因此，在偏置信號存在下，所述感覺細胞響應于刺激物的強度，它通常認為是無噪聲條件下神經元的閥下值。可以單獨或組合使用偏置信號的電學形態和機械形態，降低感覺神經元的察覺閥值。
簡要的說，一種閾下刺激或“偏置信號”，被輸入到易使神經元激活的感覺神經元中，但實際上沒有使其激活。在一種優選的實施方案中，所述偏置信號是一種包含許多頻率的寬帶信號，通常稱為“噪音”。由于感覺細胞典型的是閾-依賴的單位，因此降低感覺細胞的閾值就會降低導致感覺細胞反應(例如激活)所需的外部刺激水平。因此，所述感覺細胞，在偏置信號存在的條件下，被期望會對通常在缺少噪音的條件下被認為是神經元的閾下刺激產生反應。偏置信號的電和機械特點，單獨或聯合應用，都可用來影響降低感覺神經元的感覺閾。
發明概述在一種優選的實施方案中，提供了一種增強受試者感覺運動功能的方法，包括當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中。按照這種方法輸入偏置信號，所述感覺細胞的功能就增強了。聯合體育活動，感覺運動功能得到了增強。應用本發明的方法實現的增強包括，例如關節穩定性的增強，步態的改善，平衡的改善，運動學習能力的改善和運動技能增強。
所述應用于受試者的偏置信號可根據一種可測定的身體變量而調節，這種身體變量在預定體育活動期間根據受試者至少一個體節來測定。所述身體變量選自力、壓力、位置、角度、速度和加速度。所述偏置信號可以和預定活動同步調節。在一種優選的實施方案中，所述偏置信號是機械或電信號。機械信號的優選位移大約是1μm至10μm。所述機械信號的優選頻率在大約0Hz-100Hz的范圍之內。所述電信號的電流密度優選的在大約1μA/in2至1000μA/in2范圍之內。所述電信號的頻率優選的在大約0-10,000Hz的范圍之內。
在另外一種實施方案中，提供了一種增強受試者感覺運動功能的系統。所述系統優選的包括一種可佩帶裝置和一種信號發生器。至少有一種可重置的輸入信號密閉在可佩帶的裝置中。所述信號發生器可交換的連接于信號輸入裝置，它包括一個電源、信號處理器和控制器。所述信號發生器是可以重置的，并其可拆除的連接于可佩帶裝置。所述信號處理器可包括一個用來調節信號處理器所產生的偏置信號的校準模塊。所述可佩帶裝置優選的用力將所述信號輸入裝置壓入受試者的皮膚表面。最后，所述可佩帶裝置優選的由可伸展織物或材料制成。而且，所述信號輸入裝置電連接于所述信號發生器。所述信號輸入裝置電連接的方法優選是藏在可佩帶裝置的結構中，因此受到其的保護。
除了增強感覺運動功能外，應用本發明的方法和裝置可增強神經可塑性以及增加激素的產生。
附圖簡述

圖1是增強感覺細胞功能方法的流程圖；圖2是輸入部位定位方法的流程圖；圖3是產生偏置信號方法的流程圖；圖4是對增強感覺細胞功能系統的概述；圖5A-5C闡述了一種增強感覺運動功能的系統；圖6闡述了本發明的一種信號發生器；圖7闡述了可佩帶的裝置，是本發明的一種實施方案；圖8A-8B闡述了可佩帶的裝置，是本發明的另外一種事實方案；圖9闡述了本發明一種信號輸入裝置。
所述優選實施方案詳述本發明優選的實施方案提供了一種增強人類、非人類哺乳動物以及非哺乳動物，以后稱為“受試者”感覺運動功能的方法和系統。感覺運動功能的增強指的是包括直接或急性的作用，例如運動關節穩定性的提高，以及更持久的作用，例如PNS或CNS中神經可塑性改變產生的結果。所述方法包括將一種偏置信號輸入受試者的感覺細胞，這樣就通過有效的降低它們的激活閾而增強了那些感覺細胞的功能，這時所述受試者正從事預定的體育活動。與這種優選方法聯合起作用的是一種優選的裝置，它包含一個可佩帶的裝置和其他電機械成分，它們提供了一種方便和安全的方法將所述偏置信號輸入受試者。正如這里所應用的，名詞“偏置信號”將用來指感覺神經元一種閾下形式的刺激，不管性質是電或機械的，其波形可以是周期性的、非周期性的、確定的或不確定的，并可包含一種或多種頻率。
根據本發明的優選實施方案，所述方法和系統對于例如增強健康個體感覺運動功能是有用的，同樣對于有病癥、疾病和/或受傷的個體也是有用的。例如，健康個體可應用所述方法和系統來努力學習一種新的運動技能，例如體育運動所需的。在另外一個例子中，所述方法和系統可應用于感覺閾增加或有其他神經功能障礙的個體，例如由于衰老、外周神經病變或中風引起的。
圖1是按照本發明的一種實施方案，增強感覺神經元功能方法的流程圖。在步驟102中，定位和功能被增強以及輸入偏置信號的感覺細胞相連的部位。所述定位的區域以后就指輸入部位。一旦輸入部位定好后，在步驟104中就產生了偏置信號。接著在步驟106中，將所述偏置信號輸入輸入部位，從而有效降低了輸入部位相連的感覺細胞閾。
圖2是顯示根據步驟102定輸入部位的一種實施方案的流程圖。確定輸入部位尤其依賴于功能被增強的感覺系統，以及偏置信號輸入和感覺系統相關的感覺細胞的方法。步驟202是預備步驟，在其中采取一種識別計劃來識別功能被增強的特殊感覺系統。所述識別計劃在某種程度上，依賴于個體的合作。那就是，這個步驟和診斷相似，然而，個體不需要因為這里推測的增強過程而受任何疾病或病癥之苦。在一種實施方案中，所述功能被增強的感覺系統是功能已經被疾病降低的系統。
在一種可供選擇的實施方案中，所述被增強的感覺系統是功能正常的系統。在步驟204中，確定了將偏置信號輸入目標感覺系統的最合適方法。所述最合適的輸入方法依賴許多因素，例如目標感覺系統，目標感覺系統轉換系統的特性，目標感覺系統的狀態(例如它要么損害了，要么在某種程度上有功能障礙)，以及所測定信號的特性(例如信號的振幅和頻譜)。在特定環境中合適的輸入方法包括，但不局限于神經套袖、植入電極、表面電極、肌肉刺激物、腱刺激物和磁場刺激物。
一旦在步驟204中確定了最合適的輸入方法，在步驟206中確定輸入部位。輸入部位的確定依賴與確定最合適輸入方法相同的因素。然而，輸入部位的確定根據特殊輸入方法而變化，依賴于在其他因素中，所述目標感覺系統是否有一定程度的功能障礙，任何這種功能障礙的原因和部位，以及所應用刺激物的特性。更特殊的，如果由一些感覺細胞的自然損害引起的功能障礙存在于感覺系統中，就必須確定輸入部位，這樣所述偏置信號將繞過導致功能障礙的自然損害。而且，一些刺激物，例如植入電極需要侵入性的步驟，而其他例如表面電極僅需要非侵入性步驟，這些事實也是被考慮的因素。
一旦確定了所述輸入部位并安裝了所述輸入裝置，就產生了輸入的所述偏置信號。圖3顯示了產生偏置信號方法的一種實施方案。在初始步驟302中，偏置信號被校準。那就是，決定了偏置信號的最佳水平。依賴步驟204和206的測定，就存在一種特殊形式的偏置信號，這種信號對于目標感覺系統中特定神經元的覺察能力被理想的增強了。例如，一種具有特定預先決定值參數的偏置信號引起理想的增強。校準幫助保證所產生偏置信號的特定參數將被調整而獲得最佳的增強。所述偏置信號可被校準的參數是振幅、頻率、位移(例如偏差)，密度、方差、頻率帶寬和普通的光譜特點。校準典型的可在安裝好所述增強系統之前完成，并可在所述增強系統安裝時間歇完成。如果在安裝所述增強系統時進行校準，那么就可以理想的安裝所述增強系統，因此就容易觸及軀體的外部，這樣就可以非-侵入性的進行校準。
在一種實施方案中，校準是通過將一種有意信號輸入和增強系統產生的偏置信號聯結的感覺細胞而完成。所述感覺細胞對于聯合輸入的反應記錄為偏置信號有意參數的函數。即所述感覺細胞的反應記錄正如偏置信號中有意參數的調制。應用所記錄的結果，通過計算一些量來描述聯合輸入與感覺細胞之間的一致性，例如下面所述的交互作用系數。當一致性量最大時，所述感覺細胞的反應被最大化的增強。這種被最大化增強的反應符合有意偏置信號參數的一些值或值范圍，它們可以通過，例如檢查偏置信號記錄而測定。因此，決定了所述偏置信號有意參數的一個最佳值或值范圍。應用其他輸入信號和有意參數可重復所述步驟，因此確定了一種對于具有各種參數的輸入信號來說有最佳參數的偏置信號。
根據本發明的一種實施方案，通過檢查交互作用系數C1使得偏置信號最優化C1=C0S2(t)‾(R(t)-R(t)‾)2‾]]>其中，C0＝S(t)R(t)其實S(t)是輸入信號，R(t)是所述感覺神經元或感覺系統的輸入(例如神經平均激活率信號或神經波鏈(spike train))，橫線上面代表平均時間。S(t)和R(t)可通過任何合適的轉換器測定，例如針電極可用來測定神經元的輸出。使C1最大符合使輸入信號S(t)和神經元輸出R(t)之間的一致性最大化。特定輸入信號C1的值依賴于所述偏置信號的有意參數。因此，可確定一種具有產生理想輸出R(t)參數的偏置信號。
校準過程的結果可被利用，例如通過依據輸入信號調制所述偏置信號或通過測定一組參數值，它們平均起來將會實現任何輸入信號的增強。首先，將偏置信號的參數值對輸入信號的參數值制成表格。根據輸入信號的出現，測定輸入信號的特定參數，而有相應參數值偏置信號的產生，是通過例如參考表格的結果。根據這種方法，為了輸入信號調制偏置信號或使其最優化。其次，計算會使大多數信號獲得最佳增強的單組參數值，并用其產生每次輸入的偏置信號。
在所述輸入裝置校準和安裝后，在一種實施方案中，探測到一種神經元的輸入信號。正如聯合圖4所解釋的，增強感覺神經元功能系統的一種實施方案包括信號探測能力，例如轉換器和信號處理器。因此，步驟304中，應用信號探測能力探測到了神經元的輸入信號。
一旦在步驟304中發現了輸入信號，偏置信號就在步驟306中產生了。正如上面對于校準過程的解釋，所述偏置信號既含有依賴每個輸入信號特定參數調制的參數，也含有恒定、非調制的參數組，設計所述參數組是為了適應大多數輸入信號，最優的增強感覺細胞的功能。如果應用一種含有非調制組參數的偏置信號，那么就應用稍微簡單一點的輸入系統。總而言之，所應用偏置信號的特性，是調制或非調制的，依賴于所增強感覺系統的特性。一旦產生了所述偏置信號，就在106步驟中將它輸入神經元。
在上面所述的實施方案中，偏置信號僅僅是在為了響應神經元輸入信號的發現而產生的。在另外一種實施方案中，在輸入裝置被校準和安裝后，就連續產生偏置信號并輸入神經元。那就是，輸入信號不需要被發現。在根據這種實施方案的方法中，所述偏置信號是調制或非調制的。如果所述偏置信號是調制的，那么所述連續產生的偏置信號也是調制的，正如上所述，這時就探測到了輸入信號。如果在這種實施方案中應用一種非調制的偏置信號，那么可應用一種簡化的輸入系統。正如上面所討論的，應用一種調制偏置信號還是非調制偏置信號，除其他因素外，尤其依賴于被增強系統的本性。
在另外一種實施方案中，應用了一種分布增強系統。在這種實施方案中，上面描述的增強過程被修改，這樣就產生了一種偏置信號，并在許多部位輸入神經元，從而刺激了一批感覺細胞，因此產生了一種分布增強作用。在這種分布增強系統中，正如上所述，可應用一種連續或非連續，調制或非調制的偏置信號。例如，如果所要增強的是尿道的感覺功能，偏置信號將會被輸入到膀胱周圍的許多分布點，這樣就獲得了增強的充盈感覺。
圖4顯示了一種增強系統400的實施方案，它是用來實施所述增強感覺神經元功能的方法。增強系統400包括一個轉換器402、一個信號處理器404、一個輸入裝置408和控制器410。增強系統400操作電信號。感覺細胞的輸入信號典型的通過和外界接觸而發起，這種接觸通常不是以電信號的形式。輸入信號的發起可通過，例如觸摸、體節的移動、聲波或光。轉換器402的一個功能就是探察輸入信號的初始接觸，并通常將這種接觸傳送至增強系統400并特殊的至信號處理器404。轉換器402的另外一個功能就是將輸入信號初始接觸以不為增強400系統所用的形式輸入信號。轉換器402所用的機制依賴目標感覺系統。例如，如果聽覺系統是所要增強的目標，轉換器402可采取刺激電極的形式或一系列刺激電極排列在耳朵周圍。另外一個例子，如果本體感覺系統是所要增強的目標，轉換器402就是一個腱刺激器，通過壓電轉換器實施，經彈性帶安裝或連接于腱或親本肌肉，它們與功能被增強的感覺細胞相關聯。另外一個例子，如果振動或觸壓覺系統是所要增強的目標，轉換器402就是安裝或應用在包含所刺激細胞的軀體部分皮膚上的表面電極。這種電極應用柔韌的電極/皮膚連接體聯結。
信號處理器404產生一種偏置信號，通過輸入裝置408輸入所要增強的目標感覺系統。信號處理器404電連接于轉換器402、輸入裝置408和控制器410。正如上面所討論的，偏置信號是連續或非連續，和調制或非調制的。信號處理器404的形式依賴于所產生偏置信號的理想形式。在一種實施方案中，如果一種非連續、調制偏置信號是理想的，信號處理器404優選的包括信號探測能力和查表能力，用來存儲偏置信號的參數值。在另外一種實施方案中，如果一種恒定、非調制偏置信號是理想的，信號處理器404不一定需要信號探測能力和查表能力。在一種實施方案中，信號處理器械404是一種特殊的功能IC或一種普通的微處理器，它優選是小、重量輕和可攜帶的。進而，信號處理器404優選的包括信號條件形成和數據獲得能力。在一種實施方案中，一種PCMCLA芯片或卡用作信號處理器404。
信號處理器404還包括校準模塊406。校準模塊使得可以調整信號處理器404產生的偏置信號。例如，為了最優的增強，信號處理器404適應從轉換器獲得的特殊信號而產生了具有預定參數(例如，預定振幅和頻率)的偏置信號。如果這些偏置信號的預定參數沒有正確的調整，所述偏置信號將不會優選增強目標感覺系統的功能。校準模塊406使得這些預定參數可以被調整，從而產生一種優選的偏置信號。校準典型的在安裝增強系統400之前完成，并在增強系統400安裝時間歇實施。如果在安裝增強系統400時進行校準，那么安裝信號處理器404是理想的，因此在體外它是可觸及的，所以可非侵入性的完成校準。在另外一種可供選擇的實施方案中，信號處理器404具有遠距離訪問能力，使得可非侵入性的進行校準，不管信號處理器是否可從體外觸及。
輸入裝置408將信號處理器404產生的偏置信號傳輸到目標感覺系統。依賴于目標感覺系統是什么，輸入裝置408有上述的許多種形式。在特定的環境中合適的輸入裝置包括，神經套、植入電極、表面電極、肌肉刺激、腱刺激和磁場刺激。輸入裝置408將所述偏置信號傳輸到目標感覺系統的方式依賴于輸入裝置408和所述目標感覺系統的形式。例如，當尿道是目標感覺系統時，神經套或植入電極是適合應用的，并且典型的是通過手術植入的，將所述偏置信號傳輸至所述系統的感覺部分。在另一方面，肌肉或腱刺激更適合機械的刺激本體感覺系統。這種刺激通過振動與所述系統相關的肌肉或腱刺激所述本體感覺系統，例如關節周圍的肌肉。肌肉或腱可非侵入性的應用，例如通過一種彈力帶。在一種實施方案中，當所述目標感覺系統是振動或觸壓覺系統時，表面電極為基礎的系統用作輸入裝置408。特殊的，一種手套電極，短襪電極和袖電極，以名字ELECTRO-MESH[TM]出售，可用作輸入裝置408。將表面電極放在有意義的身體部位，例如手或腳。而且，輸入裝置408可以是非侵入性或侵入性應用的磁場刺激物。例如，磁場刺激物可通過將刺激物放在感覺細胞周圍的軀體外來刺激皮膚感覺系統，所述感覺細胞應用彈力帶刺激。磁場刺激物可非侵入性的應用，例如通過手術植入刺激物而刺激膀胱部位中的感覺神經元。
控制器410控制轉換器402、信號處理器404和輸入裝置408之間的相互作用。控制器410的實現除了其他因素，還依賴于所需偏置信號的形式。那就是說，如果一種非-連續，調制的偏置信號是理想的，就可以應用微處理器實現控制器410。在一種簡單的實施方案中，當一種連續，非調制的偏置信號是理想的時，可應用一種簡單激活增強信號的開關實現控制器410。作為選擇，信號處理器404可以是充足的，這樣控制器410對于這種實施方案來說就不是必要的。僅僅作為一個實例，控制器410包含具有合適程序的微處理器，或任何數字控制器。在一種實施方案中，控制器410通過先前提到的PCMCIA芯片或卡實現。
所述偏置信號的特性和振幅根據其所應用的感覺細胞種類而控制。典型的應用于其他類型受傷治療(止痛、骨愈合)的重復波形、脈沖或DC信號通常在所述實施過程發明中是不用的，因為感覺細胞會適應簡單的確定信號，所以經過一段時間會降低或消除這種信號的作用。然而，根據本發明，非確定噪音信號，例如隨機、非定期噪音信號或噪音信號的記錄重復是優選應用的，這樣感覺細胞在噪音信號應用的延長期間就不會適應它，這種應用在體育訓練中出現。
包含受偏置信號影響神經元的感覺細胞部分見于人體不同的深度，使得特定感覺細胞和信號輸入裝置之間存在不同的信號傳遞過濾特性。在一種優選的實施方案中，所述偏置信號可與其他類型信號結合克服這個問題。例如一種線性調頻脈沖信號可通過將噪音信號覆蓋掃頻信號而形成，后者通常掃過一種信號頻率范圍。可調制這種結合信號使得可以放大頻率范圍，它通常因為在體內傳遞而衰減。因此，所述信號因為預期的衰減而在皮膚表面水平獲得補償，這會在其到達目標感覺細胞之前發生。這種技術也用來減少測定一種有效信號所需花費的力氣，因為它會包含所有理想的頻率范圍。
本發明的另外一種方法包括通過將外部產生的偏置信號應用于感覺細胞部位而增強各種神經生理功能，正如以上所述，這時受試者正進行一項預定的體育活動。通過本發明的方法所增強的神經生理功能包括，例如肢體位置覺、生長激素的釋放增加、增強周圍神經可塑性變化和增強中樞，包括皮層神經可塑性變化。
除了其他因素，大多數體育訓練方法是用來促使運動學習的，例如獲得新的運動技能或重新獲得因為受傷或疾病而喪失的運動技能。為了實現先前提及的感覺運動功能增強，當受試者進行一項特殊的體育活動時，將偏置信號應用于涉及特殊體育活動的感覺細胞，從而降低這種細胞被活動產生的外來刺激激活的閾值。通過使得所述感覺細胞更敏感，增加為產生任何給定量外部刺激的產生動作電位數量，從而提高活動產生的運動學習的率和/或質量。
四肢的協調運動，例如需要來自大腦的遞減意向性信號、肌肉收縮、四肢運動之間的精細作用，以及與環境的相互作用。這種緊密的控制部分依賴于來自運動中四肢的機械特性感覺反饋。軀體感覺信息，例如來自足底的觸覺信息和來自膝關節的本體感覺信息，明顯對于正常步態和更劇烈的活動，例如跳和登來說是重要的。本發明的方法能有效的提高來自機械性刺激感受器的協調感覺信息，這些感受器在四肢運動時涉及肢體位置覺。這種在運動時的附加信息內容為增強感覺運動控制提供了一種方法。這種增強導使得平衡增強、正確的步態并通過例如避免關節過伸而預防受傷。
在本發明的一種實施方案中，一種偏置信號在訓練期間被提供給大量參與維持受試者關節穩定的結構，從而提高受試者關節感覺和增強穩定的反饋。例如至少一種輸入裝置，例如電極可放在關節上或其附近，這樣就刺激了韌帶中或附近的感覺細胞，關節囊和半月板。提供所述偏置信號，使其水平低于和所述結構相關感覺細胞的感覺閾，同樣低于皮膚痛閾。
在另外一種實施方案中，可將所述偏置信號提供給至少兩種維持關節穩定性的結構，并在關節的相對面，這樣這些結構中包含的感覺細胞的性能就得到了增強。優選的，對關節或鄰近關節以及關節相對面上至少兩種不同的拮抗肌提供偏置信號，所述拮抗肌的作用是決定關節的相對彎曲和伸直。
可同時為每個結構提供偏置信號，或者零星的發生于每個結構。優選的，將所述偏置信號重復的提供給每個結構，例如重復偏置信號，這樣所述偏置信號就同時提供給每個結構，或重復它，這樣所述偏置信號就零星的提供給每個結構許多次。
特殊的偏置信號范圍根據本發明可應用于特殊類型的偏置信號。例如，電信號優選的以大約1μA/in2至1000μA/in2的電流密度范圍，以及大約0Hz至1000Hz的頻率應用在受試者皮膚表面。機械信號優選的在皮膚表面有大約1μm-10μm的位移，頻率范圍在大約0Hz至1000Hz。機械信號可通過在皮膚表面提供機械傳動器而被遙控，所述傳動器接受從遙遠的發射器械產生的波形信號，并將這些信號轉換為機械信號。在無線系統中，電信號也可以從遙遠的發射器傳遞至電極，后者將電信號應用于受試者。所有偏置信號優選的被設計為復雜的有益和/或有害的樣式。
天然存在的生長激素，作為另外一個實例，在人類中由許多腺體釋放。這些激素是人體適應活動中的變化而改變肌肉和骨骼結構系統的一部分。例如，鍛煉使得肌肉體積的增加部分是由體內循環生長激素量的增加而導致的。近來研究已經發現，來自外周的傳入信號，特別是那些來自肌肉的，促進了來自垂體特殊類型生長激素的釋放(McCall等，2000)。根據本發明，在體育活動時，通過將應用偏置信號降低感覺細胞的閾值使得感覺反饋神經元更具活性。結果是，傳入通信增加了，這導致了大腦中神經可塑性的變化。例如，適應活動增加生長激素釋放的來自肌梭的感覺信息增加了。這對于那些個體尤其有益，例如力量訓練者，在外傷或長時間不活動后努力重新獲得肌肉體積和骨骼完整的。在一些情況中，生長激素釋放的增加可足以消除生長激素替代療法和生長激素補充的需要。
外周感覺運動通路的聯絡和效率是獲得新運動技能的表現。那就是，訓練和練習的主要結果就是產生這些新的通路。實際上，甚至力量的增加是由于肌肉質量的增加同樣也是因為神經系統的變化，尤其在力量形成的早期。近來的研究已經表明傳入活動促進了新突觸的產生(“突觸發生”)，周圍神經可塑性一種潛在的神經生理過程(Wong等，2000)。根據本發明的方法將偏置信號應用于輸入區域增加了來自外周的富含信息的感覺通信，并驅動了外周神經可塑性的變化。力量訓練的普通概念就是它僅僅包括發達的肌肉，神經系統不作考慮。實際上，神經系統因素對于肌肉力量的發展和維持是主要的。在力量訓練的初始階段，肌肉質量不明顯增加，但是作為神經肌肉的學習過程來說，力量是增加的。通過根據本發明的方法將偏置信號應用于輸入區域，完成這個過程的時間明顯的縮短，這是通過降低了在力量訓練這一階段期間涉及的感覺細胞的閾值。結果是，來自外周富含信息的通信驅動了外周的神經可塑性，除了其他因素增加了肌肉質量形成率。
根據本發明進行的力量訓練對于增加人類肢體交換力量的變化也是有效的，例如手臂和腿。力量訓練研究已顯示，當僅對一側肢體進行力量訓練時，未訓練的肢體的力量也增加一定程度。因此，如果一側肢體因為石膏或支具制動時，可應用本發明的方法增加制動肢體的力量，通過在對對側肢體進行力量訓練時降低其中感覺細胞的閾值而實現。
許多體育訓練項目是為了改善平衡，這在身體從一側迅速轉向另一側時是必要的。增加平衡訓練包括長時間重復側側運動來提高運動學習，從而使平衡增加。而且，結合這種側側訓練，本發明包括在訓練期間降低所作用的感覺細胞閾值而獲得更迅速增加的平衡。
此外，新運動技能的正常獲得和在受傷，例如中風后，重新獲得運動技能的過程，依賴于整個感覺運動皮質新連接的消除和建立。新近的研究已經發現外周感覺活動是大腦中這些有益的神經可塑性變化潛在的驅動之一(McKay等，2002)。根據本發明的方法將偏置信號應用于輸入區域也增加了輸入通信，因此加速了運動技能的進步。
圖5A-5C闡述了根據本發明的方法應用輸入信號的一種優選系統，如在體育訓練中的應用。所述系統包含一個下肢外套500，從使用者的腰部延伸至雙腿。一條束帶502在腰部束緊外套，而在使用者腳下延伸的足帶504在下體運動時緊緊將外套束在身體上。足帶優選的包括氯丁二烯橡膠或其他已知的彈性材料。外套500優選包括大量放置在外套500腰部周圍的束帶506。束帶506的松端包攏帶502，并通過Velcro或其他已知固定裝置連接于外套500上，從而有效的形成能將帶502牢牢保持在腰部水平的帶-環。
外套500是設計用來在膝或膝以下應用輸入信號的，外套的腿部有罩子508，它使輸入裝置510被放置在和膝、小腿和/或下肢肌肉相關的選擇性部位，而同時又保持在外套500中。外罩511夾緊外套，并夾到輸入裝置510上，這樣牢牢將輸入裝置510固定在原位。因此，實際上信號輸入裝置510可根據各種不同應用的需要放置在外套的任何部位，來適應受試者的解剖構造。為了使外套500適合使用者，將輸入裝置510首先放置在與特殊肌肉、關節等相關的使用者皮膚上。接著仔細將外套500穿上覆蓋輸入裝置510，外罩511夾過外套500將輸入裝置510固定在原位。外套500優選的是由氯丁二烯橡膠或任何已知的可伸展材料制成，這使得所述外套緊密的配合受試者，牢牢的將輸入裝置510固定于受試者的皮膚，從而防止在鍛煉的長時間運動期間輸入裝置510的移位。
電纜512將輸入裝置510電連接于信號發生器514。信號發生器514為外套內表面上的輸入裝置510提供了能量，這樣電極位置的變化可在輸入裝置510的區域中調整。電纜512優選的綁在外套500上，這樣就沒有松的電纜阻止身體運動。在一種優選的實施方案中，從信號發生器514延伸出來的電纜512綁在外套500的橫袋516中。電纜512延伸通過袋516進入導管520，后者沿著外套500的腿部分向下延伸。導管520分支進入膝水平的多個導管，這樣配合輸入裝置510放置在小腿及周圍的各種位置上。輸入裝置510可沿著電纜512的長度連接在任何位置。一種由塑料或相似材料制成的電纜導標522圍繞導管520，這樣就維持了導管520進入袋516的開口。由電纜導標522維持的導管開口使得電纜512十分簡單的插入和抽出導管520的全長。
電纜512優選足夠長，使控制器514從帶502的側面滑入帶502的背面。因此，信號發生器514可被重置在沿著帶502的各個部位，這樣就不會限制特殊鍛煉所需的運動。信號發生器514也可佩帶在其他部位或手拿著。通常，信號發生器514的放置依賴于所穩定關節的部位，受試者的舒適度和/或運動方便而確定。為了去除電纜512，信號發生器514可包含一個或多個無線發送器，有效的將信號傳送至信號發生器514和/或輸入裝置510。
如圖6所示，信號發生器514包含一個信號處理器404、控制器410、控制表盤606、顯示器608、金屬試樣610和一個紅外線端口612。顯示器608顯示了對于使用者或臨床醫生來說有意義的圖象信息，例如電流刺激圖、剩余電池壽命、刺激水平、激活通道、錯誤等等。紅外線端口612(無線或有線)使得連接于計算機工作站，從而可以下載定制刺激圖案和波形。金屬試樣610確保了合適的控制器功能。控制表盤606有效的變化了提供給信號輸入裝置510雜音信號的振幅，這樣將所述信號維持在目標感覺細胞的閾下水平，同樣也在皮膚閾下水平。每個信號輸入裝置510電流密度通過電流振幅和電極大小確定。所述電流密度必須維持在可接受的范圍之內。如果是電刺激，通道是互相電絕緣的，或共享一個普通的地線。
輸入裝置510可通過皮膚將輸入信號應用到和關節定位相關的結構。正如先前指出的，所述外套中的輸入裝置510可以是表面電極、肌肉刺激物、腱刺激物和磁場刺激物，振動刺激物，例如小型電磁旋轉發動機或平板發動機(例如薄餅發動機)，壓電致動器、鐵磁流體磁致動器或電流變致動器或其他已知的信號輸入裝置。所述信號輸入裝置合適大小和排列，從而將刺激局限在理想的結構中。例如，膝電極和致動器的大小合適，以致不會妨礙和限制運動，并將刺激(目標)限制在有意的感覺神經元。信號發生器514設計為可變化信號的密度和時間。例如，當不止應用一個輸入裝置510時，信號的部位和極性就是變化的。相似的，刺激可同時發生在每一個輸入裝置510，或零星發生在每個輸入裝置510之間。刺激的能量和頻率也可被控制。所述信號處在一個低于和各種對關節穩定起作用的結構相關的感覺細胞感覺閾的水平。因此，所述信號低于激活那些結構中感覺細胞所需的水平。
由信號發生器514提供的信號水平也足以刺激不直接參與關節穩定的結構中的其他細胞。例如，皮膚中的感覺細胞感知到一種通過放置在皮膚上的輸入裝置510所提供的信號，但其水平仍低于刺激所述結構感覺細胞所需的閾值，例如皮膚下的繩肌腱，它與膝關節的穩定性相關。這種低水平的信號描述于Collins等，美國專利第5,782,873號。
在另外一個優選的實施方案中，提供了一種將信號輸入裝置510與受試者皮膚接觸的結構700，如圖7所示。許多臂704從中軸708延伸出來，當正確佩帶結構700時，所述軸放在重要關節的對面。緊挨著中軸708的臂704部分由一種可伸展的材料制成，例如橡膠。臂704優選的偏成一定角度，這樣當結構700放在肢體時，它就牢牢連接于腿。臂704也包括許多放置的輸入裝置510，這樣當結構700正確放置在四肢時，輸入裝置510放在腿的部位，在那兒根據本發明的方法應用所述偏置信號。
至少有一個臂704包含電纜輸出口706，它電連接于每一個輸入裝置510。輸出口706和電纜512的電連接器702配套，這樣當電纜512的另一端連接到信號發生器514時，在信號發生器514和輸入裝置510之間就建立了電連接。電纜512優選的由可伸展并且應力抵抗的材料制成，從而降低了電纜512在使用期間從輸出口706或信號發生器514脫離。
在本發明的另一方面，提供了一種保護關節的結構800，正如圖8A-8B所示，在膝關節上，有大量輸入裝置510，并優選的將一個信號發生器514包含進去或置于其上。放置輸入裝置510這樣連接合適的肌肉和關節的組合，根據本發明的方法將偏置信號應用于上。關節結構800優選的設計為包繞關節，并通過Velcro或其他已知的固定裝置固定自己。作為選擇，關節結構800可被設計為滑上和滑下關節。關節結構800優選的是由織物制成，但也可以由塑料、橡膠或其他材料制成，只要至少一部分所述結構是由彈性材料制成的，這使得輸入裝置510在關節屈曲和伸展的時候保持在原位。正如所述，結構800的隆起部分802是由較厚的材料制成，能夠輔助支撐關節。結構800的較薄部分804是放在關節的上方，這樣使得關節屈曲時不移動輸入裝置510。
在本發明的另一方面，提供了一種電極敷料器900，正如圖9所示，它提供了一種方法，定制了信號輸入裝置510(例如皮膚表面電極)的位置或之間的距離，這種裝置是為接受本發明治療的受試者設計的。易彎曲的電傳導層902部分，例如傳導橡膠，提供了一種金屬線908和信號輸入裝置510之間的電傳導裝置。在所述結構的外表面覆蓋和圍繞電傳導層902的是非傳導材料904。這兩層傳導層902和非傳導材料904永遠粘貼在一起。同樣在它的內表面或皮膚表面覆蓋傳導層902的是非傳導膜906，它是可移動的粘貼于傳導層902。通過去除非傳導膜906，傳導層902的內表面就暴露了，使得信號輸入裝置510固定于傳導層902。非傳導膜906以一定的方式劃痕或分割，使得部分非傳導膜906而不是這個膜被去除。應用這種方法，在使用過程中所述傳導層902的絕大部分保持被非傳導膜906覆蓋。信號輸入裝置510由一種薄的、電傳導材料制成，例如水凝膠，為傳導層902和受試者皮膚之間提供了電界面。
用來實施本發明方法的裝置相對于用來提高感知能力(例如運動學習)或治療損傷以及從損傷中恢復的裝置來說是獨一無二的。在這種已知的裝置中，將電極放置在支架或外罩上，并包含自由解栓的電導體，所有這些將抑制有效體育鍛煉進行時所需的運動。
雖然以上所闡述的實施方案涉及的是pant、關節穩定器和支架，這里所應用的可佩帶裝置指的是任何能夠將輸入裝置510固定在理想部位的結構。
這里所述的實施方案已經顯示為一種下體可佩帶的裝置，這僅僅為了闡述目的。相似的實施方案，為上體包括個體臂和軀干設計的能將信號輸入裝置固定，也在本發明的精神和范圍之內。根據本發明的方法，上體可佩帶裝置可與下體可佩帶裝置結合起來，使輸入裝置同時沿著上下體放置和工作。
雖然已經詳細敘述了本發明，但應該明白可以根據所附權利要求的限定不背離計劃的范圍做各種變化、替代和更改。
權利要求
1.一種增強受試者感覺運動功能的方法，所述方法包括以下步驟當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中，其中輸入所述至少一種偏置信號增強了所述感覺細胞的功能。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述感覺運動功能是增強的關節穩定性。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述感覺運動功能是改善的步態。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述感覺運動功能是改善的平衡。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述感覺運動功能是改善的運動學習。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述感覺運動功能是提高的運動技巧。
7.如權利要求2-6中任何一項所述的方法，其中，所述感覺運動功能是通過改善神經可塑性而增強的。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述神經可塑性是中樞神經可塑性。
9.如權利要求7所述的方法，其中，所述神經可塑性是外周神經可塑性。
10.如權利要求2-6中任何一項所述的方法，其中，所述感覺運動功能是通過增加生長激素的釋放而增強的。
11.如權利要求1所述的方法，其中，所述偏置信號和所述預定的體育活動同步調節。
12.如權利要求1所述的方法，其中，所述應用于受試者的偏置信號可根據一種可測定的身體變量而調節，這種身體變量在預定體育活動期間根據受試者至少一個體節來測定，其中所述身體變量選自力、壓力、位置、角度、速度和加速度。
13.如權利要求1所述的方法，其中，所述偏置信號是位移大約是1μm至10μm的機械信號。
14.如權利要求1所述的方法，其中，所述偏置信號是包括一種或多種頻率的機械信號，其范圍大約為0Hz-1000Hz。
15.如權利要求1所述的方法，其中，所述偏置信號是電流密度在大約1μA/in2至1000μA/in2范圍之內的電信號。
16.如權利要求1所述的方法，其中，所述偏置信號是包括一種或多種頻率的電信號，范圍大約為0Hz-10,000Hz。
17.一種增強受試者感覺運動功能的方法，所述方法包括以下步驟當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中，其中輸入所述至少一種偏置信號增強了所述感覺細胞的功能，并且所述至少一種偏置信號由增強感覺運動功能的系統產生和輸入，所述系統包括一種可佩帶裝置，至少有一個可重置的信號輸入裝置密閉在其中，以及一個信號發生器可交換的連接于至少一個信號輸入裝置，從而產生所述偏置信號。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述感覺運動功能是增強的關節穩定性。
19.如權利要求17所述的方法，其中，所述感覺運動功能是改善的步態。
20.如權利要求17所述的方法，其中，所述感覺運動功能是改善的平衡。
21.如權利要求17所述的方法，其中，所述感覺運動功能是改善的運動學習。
22.如權利要求17所述的方法，其中，所述感覺運動功能是提高的運動技巧。
23.如權利要求18-22中任何一項所述的方法，其中，所述感覺運動功能是通過改善神經可塑性而增強的。
24.如權利要求23所述的方法，其中，所述神經可塑性是中樞神經可塑性。
25.如權利要求23所述的方法，其中，所述神經可塑性是外周神經可塑性。
26.如權利要求18-22中任何一項所述的方法，其中，所述感覺運動功能是通過增加生長激素的釋放而增強的。
27.如權利要求17所述的方法，其中，所述偏置信號和所述預定的體育活動同步調節。
28.如權利要求17所述的方法，其中，所述應用于受試者的偏置信號可根據一種可測定的身體變量而調節，這種身體變量在預定體育活動期間根據受試者至少一個體節來測定。所述身體變量選自力、壓力、位置、角度、速度和加速度。
29.如權利要求17所述的方法，其中，所述偏置信號是位移大約是1μm至10μm機械信號。
30.如權利要求17所述的方法，其中，所述偏置信號是包括一種或多種頻率的機械信號，其范圍大約為0Hz-1000Hz。
31.如權利要求17所述的方法，其中，所述偏置信號是電流密度在大約1μA/in2至1000μA/in2范圍之內的電信號。
32.如權利要求17所述的方法，其中，所述偏置信號是包括一種或多種頻率的電信號，范圍大約為0Hz-10,000Hz。
33.一種增強受試者感覺運動功能的系統，所述系統包括一個可佩帶裝置，至少一個信號輸入裝置密閉在其中，其中，所述至少一個信號輸入裝置可重置的放在可佩帶裝置上；以及一個產生偏置信號的信號發生器，其中，所述信號發生器可交換的連接于所述信號輸入裝置。
34.如權利要求33所述的系統，其中，所述信號發生器包括一個電源、一個信號處理器和一個控制器。
35.如權利要求34所述的系統，其中，所述信號處理器可包括一個用來調節信號處理器所產生的偏置信號的校準模塊。
36.如權利要求33所述的系統，其中，所述可佩帶裝置用力將所述信號輸入裝置壓入受試者的皮膚表面。
37.如權利要求33所述的系統，其中，所述可佩帶裝置是由可伸展織物制成。
38.如權利要求33所述的系統，其中，所述信號發生器是可重置的并可交換的連接于可佩帶裝置。
39.如權利要求33所述的系統，其中，所述信號輸入裝置直接電連接于所述信號發生器。
40.如權利要求33所述的系統，其中，所述信號發生器通過一個電導體可交換的連接于所述信號輸入裝置，至少一部分所述電導體被密閉在所述可佩帶裝置中，并受可佩帶裝置的保護。
41.一種增強受試者神經可塑性的方法，所述方法包括以下步驟當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中，其中，輸入所述至少一種偏置信號增強了所述感覺細胞的功能。
42.如權利要求41所述的方法，其中，所述神經可塑性是中樞神經可塑性。
43.如權利要求41所述的方法，其中，所述神經可塑性是外周神經可塑性。
44.一種增強受試者神經可塑性的方法，所述方法包括以下步驟當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中，其中，輸入所述至少一種偏置信號增強了所述感覺細胞的功能，并且所述至少一種偏置信號由增強感覺運動功能的系統產生和輸入，所述系統包括一種可佩帶裝置，至少有一個可重置的信號輸入裝置密閉在其中，以及一個信號發生器可交換的連接于至少一個信號輸入裝置。
45.如權利要求44所述的方法，其中，所述神經可塑性是中樞神經可塑性。
46.如權利要求44所述的方法，其中，所述神經可塑性是外周神經可塑性。
47.一種增加受試者生長激素釋放的方法，所述方法包括以下步驟當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中，其中輸入所述至少一種偏置信號增強了所述感覺細胞的功能。
48.一種增加受試者生長激素釋放的方法，包括當受試者在進行一種預定的體育活動時，將至少一種偏置信號輸入受試者的至少一個感覺細胞部位，這種體育活動應用了感覺細胞區域中的感覺細胞并包含在被增強的感覺運動功能中，其中，輸入所述至少一種偏置信號增強了所述感覺細胞的功能，并且所述至少一種偏置信號由增強感覺運動功能的系統產生和輸入，所述系統包括一種可佩帶裝置，至少有一個可重置的信號輸入裝置密閉在其中，以及一個信號發生器可交換的連接于至少一個信號輸入裝置。
全文摘要
本發明描述了增強神經生理功能的方法和裝置，例如感覺運動支配和神經可塑性。一種優選的方法包括將偏置信號輸入受試者的感覺細胞，從而增強了細胞的感覺功能，而受試者進行預定的體育活動。用來實施本發明的系統包括一種可佩帶的裝置(500)，至少有一種可重置的信號輸入裝置(510)和一種信號發生器(514)裝于其中，后者可交換的連接與前者。
文檔編號A61N1/05GK1665563SQ03815872
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月5日 優先權日2002年5月3日
發明者J·D·哈里, S·J·科勒辛斯基, J·B·尼米, G·R·德勞特, D·阿爾格里姆, J·J·科林斯 申請人:艾弗倫特股份有限公司