一种新式平衡感觉干扰系统的设计

张佳华，刘胜林，张强，孔维佳

华中科技大学同济医学院附属协和医院生物医学工程研究室，湖北 武汉 430022

一种新式平衡感觉干扰系统的设计

张佳华，刘胜林，张强，孔维佳

华中科技大学同济医学院附属协和医院生物医学工程研究室，湖北 武汉 430022

本文介绍一种新式的用于评价前庭功能的多干扰刺激系统。该系统包含的相应机械振动探头、冷热探头、强声探头、压力探头和电流电极，能精确控制机械振动、电流、强声等的频率和强度来干扰人体的本体觉和前庭觉，来分离出人体的前庭觉、本体觉和视觉在维持平衡中的定性或定量数据。该装置具有多种干扰刺激来评估分析前庭功能，可用于各种眩晕疾病定位定性鉴别诊断及前庭康复等方面，也可能在运动医学和航天医学训练中得到推广应用。

平衡感觉干扰系统；动态平衡仪；视频眼震图仪；本体觉；前庭觉

0 前言

人体姿势调节和身体平衡需要视觉系统、本体觉系统和前庭系统相互协同作用完成[1-3]。前庭感受器、视觉、本体觉共同感受加速度及静态移位变化并提供信息，脑干的前庭核、大脑皮层、小脑、网状结构的中枢系统对这些信息进行整合调制。通过前庭眼反射（VOR）保证视网膜随时能可靠地进行视觉定向，并通过前庭脊髓反射（VSR）完成姿势调整、维持身体平衡[4-6]。故可通过检查前庭眼动反射弧的眼震现象和前庭脊髓反射系统的平衡功能来评价前庭功能。对眼震现象的量化检查需要适当有效地刺激干扰前庭觉，而对平衡功能的量化检查需要有效地刺激干扰本体觉和视觉[7-8]。显然，有效地将视觉、本体觉及前庭觉的作用相对分离是获得维持姿势平衡的前庭信息先决条件。因此，在正常人和患者的前庭功能检查中，通过刺激干扰视觉、本体觉和前庭觉的方法来判定本体感觉和前庭觉的异常和评价前庭功能具有十分重要的意义[9-10]。

传统的最简单干扰本体觉的方式是让受试者站在特定的海绵垫上，由于站立于海绵垫上可改变足底皮肤机械感受器以及关节感受器的信息输入，导致中枢神经系统接受的本体信息不充分，影响肌肉活动及反应，从而引起姿势稳定性降低[11]。这种简单的干扰本体感觉的手段，机体在多次经历后可作出适应性调整，干扰本体觉效果很差，不能有效应用于前庭检查。目前国际上对本体觉的干扰主要是通过动态平衡仪的运动平台产生加速度运动来实现[12]。它的基本原理是：人体站立在平板支撑面上，通过平板下的伺服电机带动平板下机械结构产生相应的前后水平加速运动和一定角度的前俯后仰的翻转加速运动，使人体的本体感觉受到干扰。虽能够一定程度地干扰本体感觉，但结构复杂，价格昂贵，不利于推广应用。

传统的干扰视觉的方式是睁眼和闭眼来实现，这是一种至今有效的视觉去除方式，但当需要测量单侧视觉时和受试者主观不彻底闭眼，这种方式就出现了局限性[13]。传统的刺激前庭觉的方式是通过向耳朵内灌入微量的冷热水或气来刺激前庭感受器，通过视频眼震图仪（Videonystagmography，VNG）检查反映的前庭眼动反射通路来判定前庭功能。

为了克服运动平台干扰本体觉的不足、以及填补缺乏对前庭觉系统有效干扰刺激装置的空白，本文设计了一种用于平衡功能检测的多种刺激干扰装置，对临床上的眩晕疾病定位、定性鉴别诊断及前庭康复等方面有着重要的意义。

1 平衡感觉干扰系统的原理

本研究根据人体对空间平衡的维持依赖于前庭觉、视觉、本体觉的生理基础，通过综合运用机械振动、电流、冷热、强声刺激，对前庭觉、本体觉和视觉进行干扰，以分离出人体的前庭觉、本体觉和视觉在维持平衡中的定性和定量数据。人体平衡干扰系统原理方块图，见图1。本系统能够精确地控制机械振动、电流、强声等频率和强度来干扰人体的本体觉和前庭觉。

2 平衡感觉干扰系统的构造

该系统由1台控制计算机、1台连接控制器、1套装有多种刺激探头的头罩等组成，见图2。其中，头罩前端眼罩有双眼镜框，内置2个红外摄像头，接收眼动图像信号并送到计算机；镜框可插挡光板，能单侧或双侧去除视觉；头罩前端戴在鼻梁上，头罩两侧固定装有音频耳塞和喷嘴，能安全方便安放在外耳道内，2个音频耳塞对双耳产生强声刺激，两侧喷嘴内可喷射冷热水，实现前庭觉的强声刺激及冷热；头罩的固定带在两侧耳后有向下延伸罩，能紧紧压住两侧乳突，其内装有2个产生振动的偏心微型马达，实现对双侧乳突产生一定强度和频率的振动干扰刺激，从而实现机械振动方式对前庭觉的干扰；延伸罩的中心有一扣座，用于安装电极片，实现对乳突产生一定强度的电流刺激，从而实现电流方式对前庭觉的干扰,见图3，。头罩后边连线上有2个跟延伸罩类似的O型绑带振荡器，每个O型绑带振荡器内装有3个产生振动偏心微型马达，见图4。

图2 人体平衡检测刺激干扰系统示意图

图3 乳突罩分解图

图4 关节肌肉振荡器的分解图

系统通过调节电位器来调节振荡器的频率和强度，实现对双侧踝关节产生一定强度和频率的振动干扰刺激，从而实现机械振动方式对本体觉的干扰。

连接控制器通过其内的半导体升降温模块（帕尔贴peltier 元件，北京帕尔贴半导体有限公司产）快速产生微量冷、热水，在电磁阀、蠕动泵的作用下，通过管道（18）连接到头罩上，实现快速从头罩两侧的喷嘴射进耳内，刺激前庭器官，冷热交换由调节旋钮（22）控制；其内直流低压发生器，产生一定频率的低压直流电，由分档调节旋钮控制电流和频率，通过导线连接到头罩双侧耳后扣座的电极片，对乳突产生一定强度的电流刺激；电源模块，为产生振动的偏心微型马达（151、153、162、163、164）供电，偏心微型马达由偏心轮和微型电机（型号SSR-2696A）组成。

该系统通过乳突机械振动探头、乳突电极片、冷热喷嘴、强声音频耳塞产生相应的振动刺激、电流刺激、冷热刺激和强声刺激。这些刺激可以单侧也可双侧来刺激前庭觉，还可单独、组合或同步来刺激前庭觉，并通过红外摄像装置来观察眼动情况。通过机械振动来干扰踝关节，实现本体觉干扰；通过单侧、双侧给予视觉去除来干扰视觉，从而综合实现平衡功能的三联刺激干扰。

3 小结

综上所述，本文通过综合运用3种刺激类型（同步、组合、单个）、2种刺激时间模式（持续、间断）对维持人体平衡的3感觉（前庭觉、视觉、本体觉）进行机械振动、电流、冷热、强声等刺激，以分离出人体的前庭觉、本体觉和视觉在维持平衡中的定性和定量数据。该干扰系统是一种多类型多模式多刺激的感觉干扰器，能够精确控制振动、电流、强声等频率和强度来干扰人体的本体觉和前庭觉，在临床上可用于各种眩晕疾病鉴别诊断和康复训练等方面，且成本不高，易于在基层临床工作中广泛应用。此外该系统在运动医学和航天医学训练中也可能得到推广应用。

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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

国家自然基金项目（81371102）；国家科技部863计划项目（2008AA02Z428）。

作者邮箱：uhzhangjiahua@163.com