一種新式平衡感覺干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張佳華，劉勝林，張強(qiáng)，孔維佳

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，湖北 武漢 430022

一種新式平衡感覺干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張佳華，劉勝林，張強(qiáng)，孔維佳

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，湖北 武漢 430022

本文介紹一種新式的用于評(píng)價(jià)前庭功能的多干擾刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含的相應(yīng)機(jī)械振動(dòng)探頭、冷熱探頭、強(qiáng)聲探頭、壓力探頭和電流電極，能精確控制機(jī)械振動(dòng)、電流、強(qiáng)聲等的頻率和強(qiáng)度來干擾人體的本體覺和前庭覺，來分離出人體的前庭覺、本體覺和視覺在維持平衡中的定性或定量數(shù)據(jù)。該裝置具有多種干擾刺激來評(píng)估分析前庭功能，可用于各種眩暈疾病定位定性鑒別診斷及前庭康復(fù)等方面，也可能在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和航天醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中得到推廣應(yīng)用。

平衡感覺干擾系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)平衡儀；視頻眼震圖儀；本體覺；前庭覺

0 前言

人體姿勢(shì)調(diào)節(jié)和身體平衡需要視覺系統(tǒng)、本體覺系統(tǒng)和前庭系統(tǒng)相互協(xié)同作用完成[1-3]。前庭感受器、視覺、本體覺共同感受加速度及靜態(tài)移位變化并提供信息，腦干的前庭核、大腦皮層、小腦、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中樞系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行整合調(diào)制。通過前庭眼反射（VOR）保證視網(wǎng)膜隨時(shí)能可靠地進(jìn)行視覺定向，并通過前庭脊髓反射（VSR）完成姿勢(shì)調(diào)整、維持身體平衡[4-6]。故可通過檢查前庭眼動(dòng)反射弧的眼震現(xiàn)象和前庭脊髓反射系統(tǒng)的平衡功能來評(píng)價(jià)前庭功能。對(duì)眼震現(xiàn)象的量化檢查需要適當(dāng)有效地刺激干擾前庭覺，而對(duì)平衡功能的量化檢查需要有效地刺激干擾本體覺和視覺[7-8]。顯然，有效地將視覺、本體覺及前庭覺的作用相對(duì)分離是獲得維持姿勢(shì)平衡的前庭信息先決條件。因此，在正常人和患者的前庭功能檢查中，通過刺激干擾視覺、本體覺和前庭覺的方法來判定本體感覺和前庭覺的異常和評(píng)價(jià)前庭功能具有十分重要的意義[9-10]。

傳統(tǒng)的最簡(jiǎn)單干擾本體覺的方式是讓受試者站在特定的海綿墊上，由于站立于海綿墊上可改變足底皮膚機(jī)械感受器以及關(guān)節(jié)感受器的信息輸入，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)接受的本體信息不充分，影響肌肉活動(dòng)及反應(yīng)，從而引起姿勢(shì)穩(wěn)定性降低[11]。這種簡(jiǎn)單的干擾本體感覺的手段，機(jī)體在多次經(jīng)歷后可作出適應(yīng)性調(diào)整，干擾本體覺效果很差，不能有效應(yīng)用于前庭檢查。目前國(guó)際上對(duì)本體覺的干擾主要是通過動(dòng)態(tài)平衡儀的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生加速度運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)[12]。它的基本原理是：人體站立在平板支撐面上，通過平板下的伺服電機(jī)帶動(dòng)平板下機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的前后水平加速運(yùn)動(dòng)和一定角度的前俯后仰的翻轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)，使人體的本體感覺受到干擾。雖能夠一定程度地干擾本體感覺，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不利于推廣應(yīng)用。

傳統(tǒng)的干擾視覺的方式是睜眼和閉眼來實(shí)現(xiàn)，這是一種至今有效的視覺去除方式，但當(dāng)需要測(cè)量單側(cè)視覺時(shí)和受試者主觀不徹底閉眼，這種方式就出現(xiàn)了局限性[13]。傳統(tǒng)的刺激前庭覺的方式是通過向耳朵內(nèi)灌入微量的冷熱水或氣來刺激前庭感受器，通過視頻眼震圖儀（Videonystagmography，VNG）檢查反映的前庭眼動(dòng)反射通路來判定前庭功能。

為了克服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)干擾本體覺的不足、以及填補(bǔ)缺乏對(duì)前庭覺系統(tǒng)有效干擾刺激裝置的空白，本文設(shè)計(jì)了一種用于平衡功能檢測(cè)的多種刺激干擾裝置，對(duì)臨床上的眩暈疾病定位、定性鑒別診斷及前庭康復(fù)等方面有著重要的意義。

1 平衡感覺干擾系統(tǒng)的原理

本研究根據(jù)人體對(duì)空間平衡的維持依賴于前庭覺、視覺、本體覺的生理基礎(chǔ)，通過綜合運(yùn)用機(jī)械振動(dòng)、電流、冷熱、強(qiáng)聲刺激，對(duì)前庭覺、本體覺和視覺進(jìn)行干擾，以分離出人體的前庭覺、本體覺和視覺在維持平衡中的定性和定量數(shù)據(jù)。人體平衡干擾系統(tǒng)原理方塊圖，見圖1。本系統(tǒng)能夠精確地控制機(jī)械振動(dòng)、電流、強(qiáng)聲等頻率和強(qiáng)度來干擾人體的本體覺和前庭覺。

2 平衡感覺干擾系統(tǒng)的構(gòu)造

該系統(tǒng)由1臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、1臺(tái)連接控制器、1套裝有多種刺激探頭的頭罩等組成，見圖2。其中，頭罩前端眼罩有雙眼鏡框，內(nèi)置2個(gè)紅外攝像頭，接收眼動(dòng)圖像信號(hào)并送到計(jì)算機(jī)；鏡框可插擋光板，能單側(cè)或雙側(cè)去除視覺；頭罩前端戴在鼻梁上，頭罩兩側(cè)固定裝有音頻耳塞和噴嘴，能安全方便安放在外耳道內(nèi)，2個(gè)音頻耳塞對(duì)雙耳產(chǎn)生強(qiáng)聲刺激，兩側(cè)噴嘴內(nèi)可噴射冷熱水，實(shí)現(xiàn)前庭覺的強(qiáng)聲刺激及冷熱；頭罩的固定帶在兩側(cè)耳后有向下延伸罩，能緊緊壓住兩側(cè)乳突，其內(nèi)裝有2個(gè)產(chǎn)生振動(dòng)的偏心微型馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙側(cè)乳突產(chǎn)生一定強(qiáng)度和頻率的振動(dòng)干擾刺激，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)方式對(duì)前庭覺的干擾；延伸罩的中心有一扣座，用于安裝電極片，實(shí)現(xiàn)對(duì)乳突產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流刺激，從而實(shí)現(xiàn)電流方式對(duì)前庭覺的干擾,見圖3，。頭罩后邊連線上有2個(gè)跟延伸罩類似的O型綁帶振蕩器，每個(gè)O型綁帶振蕩器內(nèi)裝有3個(gè)產(chǎn)生振動(dòng)偏心微型馬達(dá)，見圖4。

圖2 人體平衡檢測(cè)刺激干擾系統(tǒng)示意圖

圖3 乳突罩分解圖

圖4 關(guān)節(jié)肌肉振蕩器的分解圖

系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)振蕩器的頻率和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙側(cè)踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生一定強(qiáng)度和頻率的振動(dòng)干擾刺激，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)方式對(duì)本體覺的干擾。

連接控制器通過其內(nèi)的半導(dǎo)體升降溫模塊（帕爾貼peltier 元件，北京帕爾貼半導(dǎo)體有限公司產(chǎn)）快速產(chǎn)生微量冷、熱水，在電磁閥、蠕動(dòng)泵的作用下，通過管道（18）連接到頭罩上，實(shí)現(xiàn)快速?gòu)念^罩兩側(cè)的噴嘴射進(jìn)耳內(nèi)，刺激前庭器官，冷熱交換由調(diào)節(jié)旋鈕（22）控制；其內(nèi)直流低壓發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率的低壓直流電，由分檔調(diào)節(jié)旋鈕控制電流和頻率，通過導(dǎo)線連接到頭罩雙側(cè)耳后扣座的電極片，對(duì)乳突產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流刺激；電源模塊，為產(chǎn)生振動(dòng)的偏心微型馬達(dá)（151、153、162、163、164）供電，偏心微型馬達(dá)由偏心輪和微型電機(jī)（型號(hào)SSR-2696A）組成。

該系統(tǒng)通過乳突機(jī)械振動(dòng)探頭、乳突電極片、冷熱噴嘴、強(qiáng)聲音頻耳塞產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)刺激、電流刺激、冷熱刺激和強(qiáng)聲刺激。這些刺激可以單側(cè)也可雙側(cè)來刺激前庭覺，還可單獨(dú)、組合或同步來刺激前庭覺，并通過紅外攝像裝置來觀察眼動(dòng)情況。通過機(jī)械振動(dòng)來干擾踝關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)本體覺干擾；通過單側(cè)、雙側(cè)給予視覺去除來干擾視覺，從而綜合實(shí)現(xiàn)平衡功能的三聯(lián)刺激干擾。

3 小結(jié)

綜上所述，本文通過綜合運(yùn)用3種刺激類型（同步、組合、單個(gè)）、2種刺激時(shí)間模式（持續(xù)、間斷）對(duì)維持人體平衡的3感覺（前庭覺、視覺、本體覺）進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)、電流、冷熱、強(qiáng)聲等刺激，以分離出人體的前庭覺、本體覺和視覺在維持平衡中的定性和定量數(shù)據(jù)。該干擾系統(tǒng)是一種多類型多模式多刺激的感覺干擾器，能夠精確控制振動(dòng)、電流、強(qiáng)聲等頻率和強(qiáng)度來干擾人體的本體覺和前庭覺，在臨床上可用于各種眩暈疾病鑒別診斷和康復(fù)訓(xùn)練等方面，且成本不高，易于在基層臨床工作中廣泛應(yīng)用。此外該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和航天醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中也可能得到推廣應(yīng)用。

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Design of Interfering System of Balance Sense

ZHANG Jia-hua, LIU Sheng-lin, ZHANG Qiang, KONG Wei-jia
Department of Biomedical Engineering, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430022, China

This paper introduces a new kind of multi-interference stimulation system for evaluating the vestibular function. The system consists of mechanical vibration probe, temperature probe, sound intensity probes, pressure probes and current electrode, and can accurately control the mechanical vibration, current, strong sound frequency and intensity, etc, to interfere with the body's proprioceptive and vestibular. The device has a variety of new means of interfering stimuli to assess vestibular function analysis, and can be used in diagnosis of vertigo disease and vestibular rehabilitation, also may be used widely in sports medicine and aerospace medicine training.

interfering system of balance sense; dynamic balance instrument; video-nystagmography; proprioceptive sensation; vestibular sensation

R322.9+3；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.006

1674-1633(2014)03-0021-03

2013-08-30

2013-09-27

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（81371102）；國(guó)家科技部863計(jì)劃項(xiàng)目（2008AA02Z428）。

作者郵箱：uhzhangjiahua@163.com