【所屬領(lǐng)域】
醫(yī)療裝備
【痛點問題】
研究表明，由于久坐、長期負(fù)重、腰椎退行性疾病等因素，超過80%的成年人在一生中會經(jīng)歷慢性下腰痛（CLBP）。在診斷方面，臨床上主要采用ODI指數(shù)、JOA評分等量表進行CLBP等級評估，其評定結(jié)果是主觀、非量化的。在治療方面，目前臨床上主要以傳統(tǒng)手術(shù)、藥物和物理治療等方式為主。然而，手術(shù)治療的費用高昂，且術(shù)后存在復(fù)發(fā)風(fēng)險、恢復(fù)時間長；長期服用止疼藥物容易導(dǎo)致胃腸黏膜損傷等副作用；傳統(tǒng)物理治療（針灸、按摩等）費時費力，治療效果依賴醫(yī)師經(jīng)驗。
脈沖電療儀具有促進血液循環(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。
【成果介紹】
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)進行參數(shù)化調(diào)整，進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】
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。
【產(chǎn)業(yè)化應(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。”
（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
專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價入股、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、面談等。
【聯(lián)系方式】
CG24004
