脈沖電療儀具有促進(jìn)血液循環(huán)、鎮(zhèn)痛、鍛煉肌肉和松解粘連等作用，廣泛應(yīng)用于臨床的康復(fù)和疼痛治療中。目前市面上已有的一些電療儀產(chǎn)品，針對不同身體部位都預(yù)設(shè)了豐富的治療處方，但仍存在以下缺陷：

1）結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜，體型較大，既不利于攜帶，又不利于家庭使用和推廣；

2）大多都單獨采用低頻、中頻信號進(jìn)行治療，會導(dǎo)致用戶產(chǎn)生適應(yīng)性，降低長期治療的效果；

3）最重要的是，由于缺乏CLBP評估結(jié)果的指導(dǎo)，一方面難以針對不同病情的患者制定個性化的治療處方，另一方面又難以直觀地評估不同的治療模式和刺激強度下的療效。

本項目以實現(xiàn)CLBP患者的診療一體化為目標(biāo)，研究CLBP患者的腰腹部核心肌群在運動募集、肌肉疲勞、肌肉激活、和肌群協(xié)同等方面與健康人群的差異；研究CLBP患者的sEMG信號與疼痛評分之間的映射關(guān)系，建立一套客觀、多維、量化的CLBP評定體系；基于評定結(jié)果，為不同病情的患者分別制定個性化的精準(zhǔn)治療處方。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)一種CLBP診療一體化設(shè)備與軟件系統(tǒng)。

技術(shù)解決方案的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1、開發(fā)一種多通道、便攜式、低成本的sEMG采集設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合非線性信號分析、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模、機器學(xué)習(xí)等理論或技術(shù)，研究深層的CLBP的發(fā)病機制與神經(jīng)調(diào)控機理。

在sEMG采集設(shè)備的開發(fā)方面，六通道原始sEMG數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理電路的放大和硬件濾波，被Arduino UNO主控芯片的內(nèi)置ADC模塊采集并實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過低能耗HC-05藍(lán)牙模塊和上位機無線通訊。

在sEMG信號分析及CLBP發(fā)病機制與神經(jīng)調(diào)控機理的研究方面，

1）實現(xiàn)sEMG的時域、頻域和非線性（多尺度熵、分形維數(shù)等）等多維度的特征提取，充分刻畫CLBP患者在腰背部運動中核心肌群與健康人在運動單元募集、肌肉疲勞等方面的差異；

2）研究基于非負(fù)矩陣分解（NMF）、主成分分析（PCA）等技術(shù)的多通道sEMG矩陣的分解方法，實現(xiàn)對腰背部運動關(guān)聯(lián)肌群的協(xié)同作用分析；

3）研究基于非線性耦合動力學(xué)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的動態(tài)sEMG網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法與網(wǎng)絡(luò)對稱性的量化方法，揭示CLBP患者異常的腰背肌協(xié)調(diào)模式；

4）研究基于動態(tài)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CLBP評估方法，建立sEMG信號與疼痛評分之間的映射關(guān)系，并結(jié)合可解釋性分析技術(shù)全面刻畫神經(jīng)肌肉活動的生理畫像，闡明CLBP的發(fā)病機制與神經(jīng)調(diào)控機理。

2、以腰背肌sEMG分析結(jié)果為依據(jù)，建立一套多維、量化的CLBP評定體系，指導(dǎo)制定個性化的治療處方。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)嵌入式脈沖治療儀，實現(xiàn)一體化的CLBP精準(zhǔn)診療方案。

在雙通道脈沖治療儀設(shè)備的開發(fā)方面，嵌入式脈沖治療儀能夠產(chǎn)生低頻調(diào)制的中頻電流，對皮膚感覺神經(jīng)末梢的刺激小，電流作用深度大、無電解作用，用戶不易產(chǎn)生適用性，有利于長期治療。在人機交互方面，用戶可以通過按鍵切換預(yù)設(shè)的治療處方，也可以在經(jīng)過sEMG評估后生成個性化的治療處方，用戶可以在治療前和治療中通過上位機軟件實時修改治療模式、強度、時間等處方參數(shù)。

在個性化的精準(zhǔn)治療處方的制定方面，

1）首先，根據(jù)腰背部的肌肉生理特點將頻率、波形、強度與時間等參數(shù)優(yōu)選組合，編碼成預(yù)設(shè)的治療處方存儲在脈沖治療儀中；

2）考慮患者的性別、年齡、病情等因素，對患者的治療處方和治療后的sEMG評估反饋結(jié)果開展統(tǒng)計學(xué)分析，剖析疼痛的脈沖治療干預(yù)與治療療效之間的深層關(guān)系，完善治療處方的個性化定制原則；

3）研究并建立一種由多通道sEMG提取出肌群協(xié)同，并對肌肉激活系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整，進(jìn)而針對不同的肌群分別生成有效的脈沖電刺激波形的方法。

目前已完成sEMG數(shù)據(jù)采集設(shè)備及配套的上位機軟件開發(fā)，正在開發(fā)脈沖治療儀設(shè)備，后續(xù)將完成設(shè)備聯(lián)合及診療一體化。

圖1 多通道sEMG采集設(shè)備

圖2 sEMG數(shù)據(jù)采集及信號分析軟件

圖3 脈沖治療儀設(shè)備

技術(shù)成熟度：7級。本項目所研發(fā)的設(shè)備硬件部分包括sEMG采集模塊、脈沖治療儀模塊等，目前已經(jīng)有較為成熟的解決方案。在理論支撐方面，本項目的研究基礎(chǔ)包括生物醫(yī)學(xué)、非線性信號分析、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的方法或技術(shù)，核心理論已經(jīng)比較成熟，在很多領(lǐng)域得到較好的驗證與應(yīng)用。

醫(yī)院內(nèi)患者的術(shù)前輔助診斷和術(shù)后康復(fù)治療、醫(yī)院外的家庭治療等場景。

市場前景：

（1）需求分析

研究表明，椎間盤退變與腰背肌勞損密切相關(guān)，且80%以上人群發(fā)生過下腰痛。目前，我國椎間盤突出患者超過1000萬人/年，2020年脊柱類內(nèi)植入規(guī)模約為91.27億元。

（2）政策支持

國務(wù)院《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》指出：“人口老齡化及生活方式變化等給維護和促進(jìn)健康帶來一系列新的挑戰(zhàn)。落實預(yù)防為主，推行健康生活方式，減少疾病發(fā)生，強化早診斷、早治療、早康復(fù)，實現(xiàn)全民健康。完善政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系，推動醫(yī)藥創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級?！?/p>

（3）社會效益

慢性腰背痛診療一體化設(shè)備的研發(fā)有助于提高患者的生活質(zhì)量，降低醫(yī)療成本，提高醫(yī)生的治療和診斷水平，進(jìn)而推動脊柱退行性疾病精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展。

知識產(chǎn)權(quán)：

本成果已申請多項中國發(fā)明專利。

合作方式：