專利名稱：基于神經信號再生的生物感覺傳遞及控制系統裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及神經信號的探測、遠距離傳輸及其控制運用，尤其是一種利用探 測、放大、遠距離傳輸感覺神經信號和運動神經信號，從而實現生物體之間感覺傳遞的基于 神經信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，屬于醫學、神經信息學，通信科學、電路科學、微 機械加工等技術領域。
背景技術：
兩個遠隔千里的高等動物之間能否實現互感互動是一個有趣的話題。從科學理論 上來講，如果兩個動物之間沒有任何物理上(聲、光、電、機械等)的聯系，要達到互感互動 是不可能的。迄今為止，人類已經通過有線和無線電話、電視、互聯網等多種技術實現遠隔 千里萬里的信息交流，實現了 “順風耳”和“千里眼”的古代神話描述。然而，有一種設想目 前還沒有實現，那就是“身臨其境”，感受痛、溫、觸、壓等皮膚感覺。多年以來，已有人在為癱瘓病人康復設計控制肢體運動的功能電刺激裝置。由于 人們現在還不知道人體的哪怕是一種最簡單的運動所對應的神經編碼是什么，所以用構思 的電脈沖編碼作控制信號產生的肢體運動與正常人肢體運動的自由度與和諧度相去甚遠。 并且目前大多數的研究還僅僅局限在利用神經信號控制假肢，利用神經信號直接控制生物 體肌肉的運動的研究報道甚少。在ZL200510135541. 6的發明專利中，提出了“微電子系統輔助神經信道功能恢復 方法及其裝置”，用于受損脊髓神經的信道橋接、信號再生和功能重建。這一專利技術要處 理的是動作和感覺的神經電位脈沖序列(編碼)。然而，該發明專利的特征是1)應用目標 是同體受損的脊髓神經，2)采用近距離有線的生物神經-電子接口。
發明內容本實用新型的目的是提供一種基于神經信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，利 用自一個生物體神經元和神經纖維束中探測到的神經信號，通過一種或多種特別是無線通 信技術的組合，對其他生物體相關部位進行電激勵，通過感覺神經信號與運動神經信號的 傳輸與重建，從而實現不同生物體之間，感覺的遠距離傳遞與運動的遠距離控制。實現上述實用新型目的采用的技術方案是基于神經信號再生的生物感覺傳遞及 控制系統裝置，其特征在于將近端神經電極從近端生物體的不同神經上探測的感覺神經 信號和運動神經信號經過包括放大、濾波、A/D轉換在內的近端信號處理電路后輸入計算 機，然后通過通信傳輸至遠端，經過包括單片機、D/A轉換、激勵電路在內的遠端信號處理電 路轉換成電流信號并通過遠端神經電極施加于至少另一生物體的對應相同神經上，分別重 建出近端生物體上的感覺神經信號和運動神經信號，使遠端生物體獲得相同的感覺，或者 在重建運動神經信號的作用下，控制遠端生物體肌肉產生相應的動作，實現不同生物體之 間感覺的傳遞與不同生物體之間運動的控制。所說近端神經電極含探測電極和參考電極，共同構成近端信號處理電路的差分輸入端，近端信號處理電路設有至少一路通道，設有一個正向輸入端與一個負向輸入端，不同 的探測電極從不同的神經上探測神經電信號，送入不同通道的正向輸入端；各通道的負向 輸入端與共用參考電極相連；近端信號處理電路設有依次連接的緩沖隔離器、低通RC濾波 網絡、儀器放大器、高通濾波網絡、初級放大電路、級間耦合電路、二次放大電路、多路復用 器、A/D轉換電路與接口電路，接口電路輸出至包括有線、無線或有線與無線混合的通信傳 輸系統。上述電路中，隔離緩沖器的作用是為電路提供高的輸入阻抗，為電路與神經之間提 供良好的隔離。由于神經信號為低頻信號，因此首先利用低通RC濾波網絡濾除高頻干擾信 號，以減少干擾。儀器放大器是微弱信號探測中的常用放大器，它能夠為電路提供高的共模 抑制比，由于近端信號處理電路采用差分探測方式，很多種干擾可以被具有高共模抑制比 的儀器放大器所抑制。由于神經電極與神經接觸會發生類似原電池反應，因此存在一個極 化電壓，該電壓為一個直流量，因此需要高通濾波網絡對可能產生的極化電壓進行抑制。初 級放大電路、二次放大電路的作用是對信號進行放大，由于神經信號是微弱的電信號，因此 需要高增益的放大器進行放大，考慮到一級放大器所能提供的增益有限，故采用兩級放大。 級間耦合電路是一個高通放大器，將初級放大電路、二次放大電路的直流工作點分離。采用 多路復用器是減少系統規模的途徑，多路通道通過多路復用器分時復用A/D轉換器，這樣 減少了 A/D轉換器的數量，降低了系統的功耗與成本。由于轉換為數字信號的神經電信號 需要送入通信系統，不同的通信系統與其它外設之間滿足特定的通信協議，需要將信號轉 化為符合特定通信協議的信號，故需要接口電路。 所說遠端信號處理電路設有至少一路通道，通過上述通信傳輸系統接收的近端生 物體神經信號經過遠端信號處理電路中依次連接的接口電路、單片機構成的控制電路、D/A 轉換電路、級間耦合電路和激勵電路后有兩路輸出，分別為正向輸出與負向輸出，它們分別 與兩神經電極相連，正向輸出與反向輸出通過兩神經電極，作用在同一根神經上，正向輸出 與激勵電路相連，反向輸出與電路的地相連。上述電路中，接口電路的作用是將來自通信 系統的信號轉化為D/A轉換所需要的數據格式與類型。主要由單片機或其它控制單元如 FPGA，CPLD以及基于ARM構架的其它微處理器所構成的控制電路決定了來自通信系統的數 字信號被送至哪一路通道。D/A轉換電路負責將來自通信系統，經過控制電路的數字信號轉 化為模擬電壓信號。由于接口電路、控制電路為數字電路，而D/A轉換電路的輸出為模擬信 號，需要利用模擬電路來處理，數字電路與模擬電路的工作點不同，所以需要引入級間耦合 電路進行隔離。研究表明，在對神經進行激勵時，電流信號比電壓信號更加有效，因此利用 激勵電路將D/A轉換電路輸出的模擬電壓信號轉換為模擬電流信號。激勵電路的該路通道 的正向輸出，與一神經電極相連。該路通道的負向輸出為電路的地，與另一神經電極相連。 兩電極作用在同一個神經上，當有激勵信號時，與正向輸出、負向輸出相連的電極之間的神 經區域被激發，從而產生神經電信號。根據研究表明，神經信號主要是脈沖的形式(動作 電位)，不同的脈沖頻率與幅度包含不同的信息，當記錄方式一定時，神經脈沖波形是相似 的。利用神經電極在神經上激勵出的神經電信號，其幅值與激勵信號的大小在一定范圍內 正相關，且脈沖之間存在一一對應的關系的特性。因此，可以想象，利用探測到的神經電信 號(電壓信號，且主要是脈沖的形式)，轉化為適合激勵的電流信號后，直接對神經進行激 勵，較大的神經脈沖可以在目標神經上激勵出較大的神經脈沖，較小的神經脈沖可以在目 標神經上激勵出較小的神經脈沖，并且由于存在一一對應的關系，即一個神經脈沖可以在
4目標神經上激勵出一個與之相關的神經脈沖。這樣就可以將探測神經上的神經脈沖的幅度 與頻率再現在目標神經上，從而實現了神經信號的再生。近端神經電極的探測電極最好布置在參考電極的周圍，探測電極和參考電極之間 的距離應小于1cm，參考電極可與被探測神經周圍的組織相接觸并不要求參考電極必須與 神經接觸。探測電極與參考電極只是按照其在電路中的不同連接方法而分類的，電極結構 本身并沒有差別；遠端兩神經電極之間的距離不要超過0. 3cm。本實用新型的優點及顯著效果(1)本實用新型具有十分重大的意義為除聽覺、視覺以外感覺的遠程傳輸提供 了新的思路，將是繼電話、電視之后又一項重要的發明，提供了一種基于神經信號再生的遠 程生物運動控制方式，具有重大的創新性，主要體現在以下幾點1)目前，對于感覺信號的 遠程再現是通過再現出相關的環境，然后人再來感受而實現的，如溫度的再現是利用溫度 傳感器先測出溫度，把該數據傳輸到遠處，在通過溫度調節系統，使得某一物體具有相同的 溫度，然后人再來感受該物體，從而實現感覺的傳遞。以這種方式，如果需要傳輸不同的感 覺信息，就需要設計不同的系統，十分復雜。而本發明的思想則是雖然外部的感覺不同，但 是它們被人體感受到以后都會轉換為神經信號，只不過神經信號的模式不同，如果能夠在 另一個生物體的神經上再現出同樣的神經信號，就可以實現感覺的再現。這樣，只要設計一 個系統，就可以實現多種感覺信號的傳遞。2)目前，對于生物肢體的控制多數是基于肌肉電 刺激的方式進行的，也就是利用電壓刺激肌肉，使得相應的肌肉收縮。這種控制方式需要很 高的電壓(幾十甚至上百伏)。而且需要對控制肢體的神經信號進行解碼，以控制相應的刺 激器，非常復雜。而在本發明中，僅將控制運動的神經信號無失真的傳遞，作用到相應的神 經上，再現出該運動神經信號，不僅需要的刺激電壓低(幾伏)而且不需要對神經信號進行 解碼，大大簡化了設計。另外，該發明涉及到多個學科如臨床醫學，通信科學，神經信息學， 電路科學，微機械加工等，是一項跨多門學科的發明，具有較高的技術含量。(2)與ZL200510135541.6相比較，前者的受益人群比較狹窄，僅僅是癱瘓病人。本 發明則無此限制，可以適用在任意的生物體之間；本發明采用各種遠程通信技術，使得兩個 生物體之間感覺的傳遞與運動控制的距離大大的增加，而在ZL200510135541.6的發明專 利中，神經信號僅僅是跨過受損的脊髓實現重建與再生；本發明實現了一對多的感覺傳遞 與運動控制，這在ZL200510135541. 6中是不可實現的。(3)本實用新型具有廣泛的應用領域，如感受遠方的嗅覺，觸覺等從而實現真正意 義上的“身臨其境”在醫療康復領域，可以將該裝置應用于一個健康人(如護士)和多個癱瘓病人之 間，實現癱瘓病人在護士引導下的康復性運動。在軍事領域，目前生物機器人的研究正火熱進行，即利用一些低等生物如蟑螂，蜻 蜓等實現偵查、排爆等任務。本發明還為生物機器人的控制提供了新的思路。
圖1是本實用新型系統裝置的示意圖；圖2是近端信號處理電路的結構框圖；圖3是遠端信號處理電路的結構框圖；[0019]圖4是基于3G接入技術與互聯網技術，實現的蟾蜍痛覺信號傳遞實驗示意圖；圖5是近端處理電路中的緩沖隔離器、低通RC濾波網絡、儀器放大器、高通濾波網 絡、的一種實現方式；圖6是近端處理電路中的初級放大電路、級間耦合電路、二次放大電路、的一種實 現方式；圖7是遠端處理電路中的級間耦合電路、激勵電路的一種實現方式；圖8是近、遠端兩只蟾蜍的腓腸肌上分別觀測到的肌電信號。
具體實施方式
參看圖1，神經電極(可以是陣列)2的觸點從生物體1上探測神經信號并送入近 端信號處理電路3。當探測不同的神經時，可以分別得到感覺神經信號和運動神經信號。將 探測到的感覺神經信號通過通信系統4發送至遠端并通過遠端信號處理電路5與神經電極 (可以是陣列)6，將處理后的感覺神經信號施加在生物體7的相同神經部位上，就可以在生 物體7的相同神經上重建出生物體1上所探測到的感覺神經信號，從而使生物體7獲得與 生物1相同的感覺；將探測到的運動神經信號通過通信系統4發送至遠端并通過遠端信號 處理電路5與神經電極(可以是陣列)6，將處理后的運動神經信號施加在生物體7的相同 神經部位上，就可以在生物體7的相同神經上重建出生物體1上所探測到的運動神經信號。 生物體7將在該運動神經信號的作用下，控制肌肉產生相應的動作，從而實現生物運動功 能的控制。參看圖2，近端信號處理電路3應當至少包含一路通道，其中包含緩沖隔離器31， 低通RC濾波網絡32，儀器放大器33，高通濾波網絡34，初級放大電路35，級間耦合電路36， 二次放大電路37，多路復用器38，AD轉換電路39與接口電路30。探測電極21與參考電極 22為近端信號處理電路3提供差分輸入(包含正向輸入與負向輸入兩個輸入端，不同的探 測電極21從不同的神經上探測神經電信號，送入不同通道的正向輸入端；各通道的負向輸 入端與同一個電極相連，該電極被稱為參考電極22。在實施過程中，為保證信號的質量，被 用作探測電極21與參考電極22的神經電極之間的距離需要小于1cm，也就是說探測電極 21應當布置在參考電極的周圍，參考電極22與被探測神經周圍的組織相接觸，不要求參考 電極22必須與神經接觸。探測電極21與參考電極22是按照其在電路中的不同連接方法 而分類的，電極本身并沒有差別)與緩沖隔離器31相連，將探測的信號送入低通RC濾波網 絡32。緩沖隔離器31為電路提供了高的輸入阻抗，低通RC濾波網絡32的作用是對高頻干 擾進行抑制，將抑制后的信號送入儀器放大器33，為電路提供高的共模抑制比以減少共模 噪聲的影響。儀器放大器33與高通濾波網絡34相連，該網絡的作用為抑制極化電壓造成 的失調。來自神經的微弱信號進一步通過初級放大電路35，二次放大電路37的放大，就可 以進行AD轉換。為了對AD轉換電路39進行復用，這里采用了多路復用器38。各個信號通 路公用一個參考電極22，并且與各自的探測電極21相連。參看圖3，來自計算機的數字信號通過接口電路50被送入主要由單片機構成的控 制電路51，經DA轉換電路52將數字信號轉換為模擬信號，通過級間耦合電路53進入激勵 電路54，每一路通道有兩路輸出，分別為正向輸出與負向輸出，它們分別與神經電極61、62 相連。正向輸出與反向輸出通過神經電極，作用在同一根神經上，兩者之間的距離不要超過0.3cm。其中正向輸出與激勵電路相連，反向輸出與電路的地相連。與正向輸出相連的電極 與負向輸出相連的電極沒有區別。參看圖4，將一只蟾蜍8左腿的坐骨神經暴露，并且為防止蟾蜍的大腦產生神經信 號，將其頭部去掉，利用MicroProbes公司所提供的Nerve Cuff電極12包裹在其坐骨神經 上，Nerve Cuff電極是神經電極的一種，神經電極的觸點安置在一種柔性材料的表面上，這 種柔性材料可以很好的包裹在神經表面，神經電極的觸點安置在柔性材料與神經接觸的那 一面，從而實現神經與電極之間的良好接觸。選擇該電極中兩個相鄰的電極點作為電路的 輸入，其中遠心端作為正向輸入，近心端作為負向輸入。電極與近端神經信號處理電路3相 連，其中緩沖隔離器31，低通RC濾波網絡32，儀器放大器33，高通濾波網絡34所采用的電 路結構如圖5所示，圖中Ul，U2，U4為運算放大器，U3為儀器放大器。初級放大電路35，級 間耦合電路36，二次放大電路37的結構如圖6所示，U5，TO為運算放大器，其中二次放大電 路可以通過開關選擇不同的電阻，從而改變其增益。選擇TI公司的MSP430F169處理器芯 片，該芯片中集成了多路復用器38和一個12bit的AD轉換器。FT245是一款用于USB通信 的芯片，利用芯片FT245與MSP420F169相連，并用MSP420F169對FT245進行控制，就可以構 成接口電路30，該電路將來自AD轉換器的數據轉化為能夠通過USB總線進行傳輸的數據。 利用NI公司的LABVIEW軟件，在計算機上進行進一步編程，其目的是(1)接收來自USB總 線的數據(2)通過互聯網，將數據發送。計算機10通過中興公司的3G上網卡MU350利用 中國電信的網絡，接入互聯網。在另一端，另一臺配備中興公司的3G上網卡MU350的計算 機11通過同樣的方式接入互聯網。遠端信號處理電路5中的接口電路50仍然由FT245芯 片實現，控制電路51，DA轉換器52，由TI公司的MSP430F169處理器芯片實現該芯片中集 成了多個DA轉換器。遠端信號處理電路5中的級間耦合電路53，激勵電路54的一種實現方式如圖7所 示，圖中的U7，U8，U9為運算放大器。同樣選取MicroProbes公司所提供的Nerve Cuff電 極13包裹在另一只去頭蟾蜍9的被暴露的左腿坐骨神經上，電極的位置與第一只蟾蜍上的 電極位置相同。選擇電極中相鄰的兩個觸點作為輸出，遠心端的觸點作為正向輸出，近心端 作為負向輸出，與激勵電路相連。上述近端及遠端信號處理電路中的各電路構成和連接都是電學領域的公知技術。參看圖8，利用5%的醋酸溶液0. 5mL，滴在近端第一只蟾蜍8的左腿上，可以看到， 第一只蟾蜍由于受到酸的刺激，從而產生了縮腿反應(上圖)。與此同時，由于感覺信號在 遠端第二只蟾蜍9同樣的神經上得到了再生，因此第二只蟾蜍也產生了同樣的由于疼痛而 引起的縮腿動作(下圖)。該實驗已經被錄制為視頻，在視頻中可以清楚的觀察到兩只蟾蜍 的動作。由于肌電信號也可以反應相應肌肉的動作，考慮到兩只蟾蜍的縮腿動作與腓腸肌 有關，因此在實驗中記錄了腓腸肌上的肌電信號，從圖中可以清楚的看到兩只蟾蜍的腓腸 肌都發生了動作，并且肌電信號類似，但不完全相同。兩組肌電信號之間存在一定的延時， 說明蟾蜍的動作存在先后的關系，延時是由于信號的傳輸延時而引起的。
權利要求基于神經信號再生的生物感覺傳遞及控制系統裝置，其特征在于將近端神經電極從近端生物體的不同神經上探測的感覺神經信號和運動神經信號經過包括放大、濾波、A/D轉換在內的近端信號處理電路后輸入計算機，然后通過通信傳輸至遠端，經過包括單片機、D/A轉換、激勵電路在內的遠端信號處理電路轉換成電流信號并通過遠端神經電極施加于至少另一生物體的對應相同神經上，分別重建出近端生物體上的感覺神經信號和運動神經信號，使遠端生物體獲得相同的感覺，在重建運動神經信號的作用下，控制遠端生物體肌肉產生相應的動作，實現不同生物體之間感覺的傳遞與不同生物體之間運動的控制。
2.根據權利要求1所述基于神經信號再生的生物感覺傳遞及控制系統裝置，其特征在于近端神經電極含探測電極和參考電極，共同構成近端信號處理電路的差分輸入端，近 端信號處理電路設有至少一路通道，設有一個正向輸入端與一個負向輸入端，不同的探測 電極從不同的神經上探測神經電信號，送入不同通道的正向輸入端；各通道的負向輸入端 與共用參考電極相連；近端信號處理電路設有依次連接的緩沖隔離器、低通RC濾波網絡、 儀器放大器、高通濾波網絡、初級放大電路、級間耦合電路、二次放大電路、多路復用器、A/ D轉換電路與接口電路，接口電路輸出至包括有線、無線或有線與無線混合的通信傳輸系 統；遠端信號處理電路設有至少一路通道，通過上述通信傳輸系統接收的近端生物體神經 信號經過遠端信號處理電路中依次連接的接口電路、單片機構成的控制電路、D/A轉換電 路、級間耦合電路和激勵電路后有兩路輸出，分別為正向輸出與負向輸出，它們分別與兩神 經電極相連，正向輸出與反向輸出通過兩神經電極，作用在同一根神經上，正向輸出與激勵 電路相連，反向輸出與電路的地相連。
3.根據權利要求2所述基于神經信號再生的生物感覺傳遞及控制系統裝置，其特征 在于近端神經電極的探測電極布置在參考電極的周圍，探測電極和參考電極之間的距離 小于1cm，參考電極與被探測神經周圍的組織相接觸；遠端兩神經電極之間的距離不超過 0. 3cm0
專利摘要本實用新型公開了一種基于神經信號再生的生物感覺傳遞及控制系統裝置，該裝置將近端神經電極從近端生物體的不同神經上探測的感覺神經信號和運動神經信號經過包括放大、濾波、A/D轉換在內的近端信號處理電路后輸入計算機，然后通過通信傳輸至遠端，經過包括單片機、D/A轉換、激勵電路在內的遠端信號處理電路轉換成電流信號并通過遠端神經電極施加于至少另一生物體的對應相同神經上，分別重建出近端生物體上的感覺神經信號和運動神經信號，使遠端生物體獲得相同的感覺，或者在重建運動神經信號的作用下，控制遠端生物體肌肉產生相應的動作，實現不同生物體之間感覺的傳遞與不同生物體之間運動的控制。
文檔編號A61B5/00GK201631175SQ20102013584
公開日2010年11月17日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者呂曉迎, 李文淵, 沈曉燕, 王志功, 黃宗浩 申請人:東南大學