CN102764474B - 辅助运动训练系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辅助运动训练方法和训练系统，该训练方法主要包括如下步骤：功能定位，找出截肢者幻肢在大脑初级运动皮层中的映射区，作为提取实时神经反馈信号的感兴趣区；基于功能磁共振技术的神经信号实时反馈系统，利用功能磁共振技术实时提取感兴趣区的神经信号指导截肢者进行残肢的运动康复训练；肌电信号采集系统，采集截肢者残肢肌电信号，实时监测截肢者康复训练效果。该运动康复训练系统及方法基于磁共振技术实时监测截肢者大脑初级运动皮层的神经反馈信号，进而指导截肢者进行残肢的运动康复训练，促进截肢者大脑初级运动皮层重组，可显著改善其假肢的运用条件。

Description

辅助运动训练系统和方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种辅助运动训练系统和方法。
背景技术
随着自动控制技术的发展，辅助运动控制方法可广泛应用于医疗、运动等领域。例如，通过控制截肢者进行运动可实现截肢者的运动康复训练。传统的辅助运动动作的控制方法中，往往只是实现单纯的肌电信号模拟，对假肢进行的一些实用性训练，训练缓慢，效果不理想，难以实现截肢者在使用假肢后大脑初级运动皮层的重塑，不利于截肢者假肢的使用。
发明内容
基于此，有必要提供一种能有效促进截肢者大脑初级运动皮层重塑的辅助运动训练系统和方法。
一种辅助运动训练系统，包括：
磁共振扫描装置，对被控元件的拥有者进行实时磁共振扫描，获得被控元件的拥有者的大脑初级运动皮层的扫描图像；
处理器，用于接收所述磁共振扫描装置得到的扫描图像，并对所述扫描图像进行分析处理，得到关于大脑初级运动皮层中激活最强的像素区域，生成所述激活最强的像素区域关于像素灰度值变化的参数；
显示器，接收并显示所述处理器得到的关于像素灰度值变化的参数，指导被控元件的拥有者进行模拟辅助运动训练。
在其中一个实施例中，所述被控元件的拥有者为上肢截肢者；所述对被控元件的拥有者进行实时磁共振扫描是在所述上肢截肢者进行交替的幻肢的想象运动和静息状态时对所述上肢截肢者进行实时磁共振扫描，得到其大脑初级运动皮层的扫描图像。
在其中一个实施例中，所述处理器包括：
存储模块，接收并存储所述扫描图像；
感兴趣区获取模块，用于从所述扫描图像中找到大脑初级运动皮层内激活最强的像素点，并以所述像素点为中心生成关于神经反馈信号的感兴趣区作为所述激活最强的像素区域；
参考感兴趣区获取模块，用于选取大脑初级运动皮层的轴状位的一层生成参考感兴趣区；
灰度值时间序列生成模块，用于获取实时检测的每一帧扫描图像中所述感兴趣区及所述参考感兴趣区的像素灰度值，分别生成所述感兴趣区及所述参考感兴趣区的像素灰度值关于时间的序列；
分析模块，按照如下公式计算得到所述感兴趣区的神经信号关于像素灰度值变化的参数：
fMRI_signal＝(Itask/ROI-Irest/ROI)-(Itask/ROI_ref-Irest/ROI_ref)
其中，fMRI_signal为所述感兴趣区的神经信号的像素灰度值变化；Itask/ROI为所述想象运动状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI为静息状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Itask/ROI_ref为想象运动状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI_ref为静息状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值。
在其中一个实施例中，所述感兴趣区是在所述大脑初级运动皮层中以所述激活最强的像素点为中心的16.5*16.5*5mm3的区域。
在其中一个实施例中，还包括预处理模块，所述预处理模块用于在得到所述扫描图像后对所述扫描图像进行的格式转换、头动校正、标准化及平滑处理。
在其中一个实施例中，所述分析模块在得到关于所述像素灰度值变化的参数后，还根据所述神经信号的变化作出关于时间的动态变化曲线，再将所述动态变化曲线传给所述显示器。
在其中一个实施例中，所述处理器还包括肌电信号采集模块，所述肌电信号采集模块在上肢截肢者进行幻肢的模拟运动康复训练时实时监测上肢截肢者残肢的肌电信号，并将所述肌电信号反馈给所述显示器显示。
一种辅助运动训练方法，包括如下步骤：
使用磁共振扫描装置对被控元件的拥有者进行实时磁共振扫描，获得被控元件的拥有者的大脑初级运动皮层的扫描图像；
对所述扫描图像进行分析处理，得到关于大脑初级运动皮层中激活最强的像素区域，生成所述激活最强的像素区域关于像素灰度值变化的参数；
将所述像素灰度值变化的参数显示给被控元件的拥有者，指导被控元件的拥有者进行模拟辅助运动训练。
在其中一个实施例中，所述被控元件的拥有者为上肢截肢者；
所述对被控元件的拥有者进行实时磁共振扫描是在所述上肢截肢者进行幻肢的想象运动和静息状态时对所述上肢截肢者进行实时磁共振扫描，得到其大脑初级运动皮层的扫描图像；
所述想象运动包括在30秒内交替进行的想象握拳和想象展开运动，所述想象握拳和想象展开的频率均为5秒/次，所述静息状态的时间为30秒，所述想象运动与所述静息状态交替进行；
所述实时磁共振扫描的采样间隔为2秒。
在其中一个实施例中，对所述扫描图像进行分析处理，得到关于大脑初级运动皮层中激活最强的像素区域，生成所述激活最强的像素区域关于像素灰度值变化的参数，包括如下步骤：
从所述扫描图像中找到大脑初级运动皮层内激活最强的像素点，并以所述像素点为中心生成关于神经反馈信号的感兴趣区作为所述激活最强的像素区域；
选取大脑初级运动皮层的轴状位的一层生成参考感兴趣区；
获取实时检测的每一帧扫描图像中所述感兴趣区及所述参考感兴趣区的像素灰度值，分别生成所述感兴趣区及所述参考感兴趣区的像素灰度值关于时间的序列；
按照如下公式计算得到所述感兴趣区的神经信号关于像素灰度值变化的参数：
fMRI_signal＝(Itask/ROI-Irest/ROI)-(Itask/ROI_ref-Irest/ROI_ref)
其中，fMRI_signal为所述感兴趣区的神经信号的像素灰度值变化；Itask/ROI为所述想象运动状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI为静息状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Itask/ROI_ref为想象运动状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI_ref为静息状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值。
在其中一个实施例中，所述感兴趣区是在所述大脑初级运动皮层中以所述激活最强的像素点为中心的16.5*16.5*5mm3的区域。
在其中一个实施例中，还包括在得到所述扫描图像后对所述扫描图像进行的格式转换、头动校正、标准化及平滑处理的预处理步骤。
在其中一个实施例中，将所述像素灰度值变化的参数显示给被控元件的拥有者具体是：根据所述神经信号的像素灰度值变化作出关于时间的动态变化曲线显示给所述上肢截肢者，所述上肢截肢者可根据所述动态变化曲线进行幻肢的想象运动和静息的模拟运动康复训练。
在其中一个实施例中，还包括在上肢截肢者进行模拟运动康复训练时实时监测上肢截肢者残肢的肌电信号，并显示所述肌电信号的步骤。
上述辅助运动训练系统及方法基于磁共振技术实时监测截肢者大脑初级运动皮层的神经反馈信号，进而从运动皮层角度指导截肢者进行残肢的运动康复训练，促进截肢者大脑初级运动皮层重塑适应新的假肢，可显著改善其假肢的运用条件。
此外，该系统及方法还可以在截肢者残肢的运动康复训练过程中实时监测截肢者残肢的肌电信号，从而引入一个客观指标用以评价截肢者运动康复训练的效果。
附图说明
图1为一实施方式的辅助运动训练系统结构示意图；
图2为磁共振扫描过程中截肢者进行交替的想象运动和静息状态的实验设计示意图；
图3为截肢者大脑扫描图像中感兴趣区和参考感兴趣区的位置示意图；
图4为截肢者神经信号的动态变化曲线图；
图5为一实施方式的辅助运动训练方法流程图。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施例对辅助运动训练系统及方法作进一步详细的说明。
如图1所示，一实施方式的辅助运动训练系统100包括磁共振扫描装置110、处理器120、显示器130及肌电信号采集模块140。
磁共振扫描装置110可用于在被控元件的拥有者（在本实施方式中，被控元件的拥有者为上肢截肢者，以下以截肢者代称）进行幻肢的想象运动和静息状态下对截肢者进行实时的磁共振扫描，以获得截肢者的大脑初级运动皮层的扫描图像。如图2所示，本实施方式的辅助运动训练系统100主要适用于上肢截肢者，截肢者在想象运动状态时尽力进行幻肢的想象握拳和想象展开运动，频率可以保持在5秒/次，想象握拳与想象展开交替进行，想象运动状态可持续30秒，想象运动与静息状态交替进行，各进行30秒，在静息状态下，截肢者不进行任何关于幻肢的想象动作。为保证磁共振扫描装置110采集足够帧数的扫描图像，截肢者想象运动和静息状态可交替进行8分钟。在本实施方式中，磁共振扫描装置110的采样间隔为2秒。
处理器120用于接收来自磁共振扫描装置110的扫描图像，并对扫描图像进行分析处理，得到关于大脑初级运动皮层中激活最强的像素区域，生成所述激活最强的像素区域关于像素灰度值变化的参数。在本实施方式中，处理器120包括存储模块121、预处理模块122、感兴趣区获取模块123、参考感兴趣区获取模块124、灰度值时间序列生成模块125及分析模块126。
存储模块121用于存储接收的扫描图像及处理器120中其他各模块分析处理的结果。磁共振扫描装置110将实时采集的截肢者大脑初级运动皮层的dicom格式的每一帧扫描图像实时传送至存储模块121中。
预处理模块122主要用于对存储模块121中的每一帧扫描图像进行的格式转换，转换成处理器可识别的img/hdr等格式的数据，以及对转换格式后的图像数据进行头动校正、标准化及平滑处理等。
感兴趣区获取模块123用于从预处理后的扫描图像中找到大脑初级运动皮层内最强的像素点，并以该像素点为中心生成关于神经反馈信号的感兴趣区。如图3所示，在本实施方式中，感兴趣区是以最强像素点为中心的一块16.5*16.5*5mm3的区域。
参考感兴趣区获取模块124用于在预处理后的大脑初级运动皮层的扫描图像中生成一参考感兴趣区。如图3所示，在本实施方式中，参考感兴趣是远离感兴趣区的大脑初级运动皮层轴状位的一层。
灰度值时间序列生成模块125用于获取实时检测的经预处理的每一帧扫描图像中感兴趣区及参考感兴趣区的像素灰度值，分别生成感兴趣区及参考感兴趣区的像素灰度值关于时间的序列。
分析模块126用于分析计算感兴趣区的神经信号的变化与时间的关系。在本实施方式中，分析模块126按照如下公式计算得到感兴趣区的关于神经信号的像素灰度值变化的参数：
fMRI_signal＝(Itask/ROI-Irest/ROI)-(Itask/ROI_ref-Irest/ROI_ref)
其中，fMRI_signal为感兴趣区的神经信号的变化；Itask/ROI为想象运动状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI为静息状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Itask/ROI_ref为想象运动状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI_ref为静息状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值。
显示器130接收处理器120分析处理得到的关于神经信号的像素灰度值变化的参数，生成神经信号的实时动态变化曲线显示给截肢者并指导截肢者进行幻肢的运动康复训练。如图4所示，当曲线中神经信号的强度位于较低区间时，截肢者不进行任何幻肢的想象运动，当曲线中神经信号的强度位于较高区间时，截肢者进行幻肢的想象运动，如进行交替的想象握拳和想象展开运动等。截肢者需要尽量控制反馈曲线的变化，在进行想象运动时努力保持神经信号强度上升的趋势。
肌电信号采集模块140在截肢者进行模拟运动康复训练时实时监测截肢者残肢的肌电信号。肌电信号采集模块140使用由导电银浆经过丝印技术印于棉质基材上制作而成采集电极，在信号采集时，将采集电极顺着肌纤维方向贴附于截肢者残肢的前臂靠近肘部部分的肱桡肌上，截肢者根据提示进行相应的动作。肌电信号在采集系统中经过带通滤波、陷波以及伪迹去除后进入分析系统，由分析软件得出最终结果，再将该最终结果通过曲线或图标等形式反馈给显示器130显示，可以对比肌电信号与神经信号动态变化曲线，由于肌电信号的强弱与截肢者训练效果成正比关系，故采集截肢者的残肢的肌电信号，可以监测截肢者康复训练时的效果。
可以理解，在其他实施方式中，感兴趣区的尺寸可以不限于上述尺寸。处理模块120中可以不设置预处理模块122，只要其他相应的模块可以识别扫描图像数据即可。该训练系统100还可以不包括肌电信号采集模块140，只要截肢者参照显示的神经信号的实时动态变化曲线进行相应的幻肢练习即可。
由于该神经信号的实时动态变化曲线是来自截肢者自身的大脑初级运动皮层的投影，因此，该训练方法可以基于皮层的运动模式较好的对截肢者的残肢进行运动康复训练。
此外，本实施方式还提供了一种辅助运动训练方法，如图5所示，该训练方法包括如下步骤：
步骤S210：在截肢者进行幻肢的想象运动和静息状态时对截肢者进行实时磁共振扫描，得到截肢者的大脑初级运动皮层的扫描图像。
在本实施方式中，如图2所示，想象运动包括在30秒内交替进行的想象握拳和想象展开运动，想象握拳和想象展开的频率均为5秒/次，静息状态的时间为30秒，想象运动与静息状态交替进行。实时磁共振扫描的采样间隔为2秒。
步骤S220：在得到扫描图像后对扫描图像进行格式转换、头动校正、标准化及平滑处理等预处理。
步骤S230：对扫描图像进行分析处理，得到关于大脑初级运动皮层中激活最强的像素区域，生成激活最强的像素区域关于像素灰度值变化的参数。其具体包括如下步骤：
步骤S232：从扫描图像中找到大脑初级运动皮层内最强的像素点，并以像素点为中心得到关于神经反馈信号的感兴趣区。
在本实施方式中，感兴趣区是在大脑初级运动皮层中以像素点为中心的16.5*16.5*5mm3的区域。
步骤S234：选取远离感兴趣区的大脑初级运动皮层的轴状位的一层作为参考感兴趣区。
步骤S236：实时检测每一帧扫描图像中感兴趣区及参考感兴趣区的像素灰度值，分别得到感兴趣区及参考感兴趣区的像素灰度值的时间序列，按照如下公式计算得到感兴趣区的关于神经信号的像素灰度值变化的参数：
fMRI_signal＝(Itask/ROI-Irest/ROI)-(Itask/ROI_ref-Irest/ROI_ref)
其中，fMRI_signal为感兴趣区的像素灰度值的变化；Itask/ROI为想象运动状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI为静息状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Itask/ROI_ref为想象运动状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI_ref为静息状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值。
步骤S240：将感兴趣区的像素灰度值的变化反馈给截肢者，指导截肢者进行幻肢的模拟运动康复训练。
具体是根据像素灰度值的变化作出关于时间的动态变化曲线显示给截肢者，如图4所示，截肢者可根据动态变化曲线进行幻肢的想象运动和静息的模拟运动康复训练。
步骤S250：在截肢者进行模拟运动康复训练时实时监测截肢者残肢的肌电信号，并显示肌电信号。
可以理解，在其他实施方式中，步骤S220中扫描图像的预处理及步骤S270中实时监测截肢者残肢的肌电信号可以省略，同训练系统100。
上述辅助运动训练系统及方法基于磁共振技术实时监测截肢者大脑初级运动皮层的神经反馈信号，进而指导截肢者进行残肢的运动康复训练，促进截肢者大脑初级运动皮层重组，可显著改善其假肢的运用条件
此外，该系统及方法还可以在截肢者残肢的运动康复训练过程中实时监测截肢者残肢的肌电信号，从而引入一个客观指标用以评价截肢者运动康复训练的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种辅助运动训练系统，其特征在于，包括：
磁共振扫描装置，对被控元件的拥有者进行实时磁共振扫描，获得被控元件的拥有者的大脑初级运动皮层的扫描图像；
处理器，用于接收所述磁共振扫描装置得到的扫描图像，并对所述扫描图像进行分析处理，得到关于大脑初级运动皮层中激活最强的像素区域，生成所述激活最强的像素区域关于像素灰度值变化的参数；
显示器，接收并显示所述处理器得到的关于像素灰度值变化的参数，指导被控元件的拥有者进行模拟辅助运动训练；所述被控元件的拥有者为上肢截肢者；所述对被控元件的拥有者进行实时磁共振扫描是在所述上肢截肢者进行交替的幻肢的想象运动和静息状态时对所述上肢截肢者进行实时磁共振扫描，得到其大脑初级运动皮层的扫描图像；所述处理器包括：
存储模块，接收并存储所述扫描图像；
感兴趣区获取模块，用于从所述扫描图像中找到大脑初级运动皮层内激活最强的像素点，并以所述像素点为中心生成关于神经反馈信号的感兴趣区作为所述激活最强的像素区域；
参考感兴趣区获取模块，用于选取大脑初级运动皮层的轴状位的一层生成参考感兴趣区；
灰度值时间序列生成模块，用于获取实时检测的每一帧扫描图像中所述感兴趣区及所述参考感兴趣区的像素灰度值，分别生成所述感兴趣区及所述参考感兴趣区的像素灰度值关于时间的序列；
分析模块，按照如下公式计算得到所述感兴趣区的神经信号关于像素灰度值变化的参数：
fMRI_signal=(Itask/ROI-Irest/ROI)-(Itask/ROI_ref-Irest/ROI_ref)
其中，fMRI_signal为所述感兴趣区的神经信号的像素灰度值变化；Itask/ROI想象运动状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI为静息状态下一帧扫描图像中感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Itask/ROI_ref为想象运动状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值；Irest/ROI_ref为静息状态下一帧扫描图像中参考感兴趣区内所有像素灰度值的平均值。
2.如权利要求1所述的辅助运动训练系统，其特征在于，所述感兴趣区是在所述大脑初级运动皮层中以所述激活最强的像素点为中心的16.5*16.5*5mm3的区域。
3.如权利要求1所述的辅助运动训练系统，其特征在于，还包括预处理模块，所述预处理模块用于在得到所述扫描图像后对所述扫描图像进行的格式转换、头动校正、标准化及平滑处理。
4.如权利要求1所述的辅助运动训练系统，其特征在于，所述分析模块在得到关于所述像素灰度值变化的参数后，还根据所述神经信号的变化作出关于时间的动态变化曲线，再将所述动态变化曲线传给所述显示器。
5.如权利要求1所述的辅助运动训练系统，其特征在于，所述处理器还包括肌电信号采集模块，所述肌电信号采集模块在上肢截肢者进行幻肢的模拟运动康复训练时实时监测上肢截肢者残肢的肌电信号，并将所述肌电信号反馈给所述显示器显示。
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