一種新式平衡感覺干擾系統的設計

張佳華，劉勝林，張強，孔維佳

華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院生物醫學工程研究室，湖北 武漢 430022

一種新式平衡感覺干擾系統的設計

張佳華，劉勝林，張強，孔維佳

華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院生物醫學工程研究室，湖北 武漢 430022

本文介紹一種新式的用于評價前庭功能的多干擾刺激系統。該系統包含的相應機械振動探頭、冷熱探頭、強聲探頭、壓力探頭和電流電極，能精確控制機械振動、電流、強聲等的頻率和強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據。該裝置具有多種干擾刺激來評估分析前庭功能，可用于各種眩暈疾病定位定性鑒別診斷及前庭康復等方面，也可能在運動醫學和航天醫學訓練中得到推廣應用。

平衡感覺干擾系統；動態平衡儀；視頻眼震圖儀；本體覺；前庭覺

0 前言

人體姿勢調節和身體平衡需要視覺系統、本體覺系統和前庭系統相互協同作用完成[1-3]。前庭感受器、視覺、本體覺共同感受加速度及靜態移位變化并提供信息，腦干的前庭核、大腦皮層、小腦、網狀結構的中樞系統對這些信息進行整合調制。通過前庭眼反射（VOR）保證視網膜隨時能可靠地進行視覺定向，并通過前庭脊髓反射（VSR）完成姿勢調整、維持身體平衡[4-6]。故可通過檢查前庭眼動反射弧的眼震現象和前庭脊髓反射系統的平衡功能來評價前庭功能。對眼震現象的量化檢查需要適當有效地刺激干擾前庭覺，而對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分離是獲得維持姿勢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價前庭功能具有十分重要的意義[9-10]。

傳統的最簡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械感受器以及關節感受器的信息輸入，導致中樞神經系統接受的本體信息不充分，影響肌肉活動及反應，從而引起姿勢穩定性降低[11]。這種簡單的干擾本體感覺的手段，機體在多次經歷后可作出適應性調整，干擾本體覺效果很差，不能有效應用于前庭檢查。目前國際上對本體覺的干擾主要是通過動態平衡儀的運動平臺產生加速度運動來實現[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帶動平板下機械結構產生相應的前后水平加速運動和一定角度的前俯后仰的翻轉加速運動，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，但結構復雜，價格昂貴，不利于推廣應用。

傳統的干擾視覺的方式是睜眼和閉眼來實現，這是一種至今有效的視覺去除方式，但當需要測量單側視覺時和受試者主觀不徹底閉眼，這種方式就出現了局限性[13]。傳統的刺激前庭覺的方式是通過向耳朵內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反射通路來判定前庭功能。

為了克服運動平臺干擾本體覺的不足、以及填補缺乏對前庭覺系統有效干擾刺激裝置的空白，本文設計了一種用于平衡功能檢測的多種刺激干擾裝置，對臨床上的眩暈疾病定位、定性鑒別診斷及前庭康復等方面有著重要的意義。

1 平衡感覺干擾系統的原理

本研究根據人體對空間平衡的維持依賴于前庭覺、視覺、本體覺的生理基礎，通過綜合運用機械振動、電流、冷熱、強聲刺激，對前庭覺、本體覺和視覺進行干擾，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據。人體平衡干擾系統原理方塊圖，見圖1。本系統能夠精確地控制機械振動、電流、強聲等頻率和強度來干擾人體的本體覺和前庭覺。

2 平衡感覺干擾系統的構造

該系統由1臺控制計算機、1臺連接控制器、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，內置2個紅外攝像頭，接收眼動圖像信號并送到計算機；鏡框可插擋光板，能單側或雙側去除視覺；頭罩前端戴在鼻梁上，頭罩兩側固定裝有音頻耳塞和噴嘴，能安全方便安放在外耳道內，2個音頻耳塞對雙耳產生強聲刺激，兩側噴嘴內可噴射冷熱水，實現前庭覺的強聲刺激及冷熱；頭罩的固定帶在兩側耳后有向下延伸罩，能緊緊壓住兩側乳突，其內裝有2個產生振動的偏心微型馬達，實現對雙側乳突產生一定強度和頻率的振動干擾刺激，從而實現機械振動方式對前庭覺的干擾；延伸罩的中心有一扣座，用于安裝電極片，實現對乳突產生一定強度的電流刺激，從而實現電流方式對前庭覺的干擾,見圖3，。頭罩后邊連線上有2個跟延伸罩類似的O型綁帶振蕩器，每個O型綁帶振蕩器內裝有3個產生振動偏心微型馬達，見圖4。

圖2 人體平衡檢測刺激干擾系統示意圖

圖3 乳突罩分解圖

圖4 關節肌肉振蕩器的分解圖

系統通過調節電位器來調節振蕩器的頻率和強度，實現對雙側踝關節產生一定強度和頻率的振動干擾刺激，從而實現機械振動方式對本體覺的干擾。

連接控制器通過其內的半導體升降溫模塊（帕爾貼peltier 元件，北京帕爾貼半導體有限公司產）快速產生微量冷、熱水，在電磁閥、蠕動泵的作用下，通過管道（18）連接到頭罩上，實現快速從頭罩兩側的噴嘴射進耳內，刺激前庭器官，冷熱交換由調節旋鈕（22）控制；其內直流低壓發生器，產生一定頻率的低壓直流電，由分檔調節旋鈕控制電流和頻率，通過導線連接到頭罩雙側耳后扣座的電極片，對乳突產生一定強度的電流刺激；電源模塊，為產生振動的偏心微型馬達（151、153、162、163、164）供電，偏心微型馬達由偏心輪和微型電機（型號SSR-2696A）組成。

該系統通過乳突機械振動探頭、乳突電極片、冷熱噴嘴、強聲音頻耳塞產生相應的振動刺激、電流刺激、冷熱刺激和強聲刺激。這些刺激可以單側也可雙側來刺激前庭覺，還可單獨、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情況。通過機械振動來干擾踝關節，實現本體覺干擾；通過單側、雙側給予視覺去除來干擾視覺，從而綜合實現平衡功能的三聯刺激干擾。

3 小結

綜上所述，本文通過綜合運用3種刺激類型（同步、組合、單個）、2種刺激時間模式（持續、間斷）對維持人體平衡的3感覺（前庭覺、視覺、本體覺）進行機械振動、電流、冷熱、強聲等刺激，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據。該干擾系統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、電流、強聲等頻率和強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訓練等方面，且成本不高，易于在基層臨床工作中廣泛應用。此外該系統在運動醫學和航天醫學訓練中也可能得到推廣應用。

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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

國家自然基金項目（81371102）；國家科技部863計劃項目（2008AA02Z428）。

作者郵箱：uhzhangjiahua@163.com