CN107626040A - 一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法，用于由脑卒中、脊髓神经损伤、脑瘫等由神经系统功能损伤所引起的肢体运动功能障碍的康复。该系统包括以下功能设备：交互输入设备、运动想象设备、电刺激设备、数据分析设备、系统处理器；该康复方法依托于虚拟现实应用技术下的呈现方式，结合基于智能传感器的交互输入设备以及神经生物电刺激设备，使用康复运动疗法和运动想象疗法来实现覆盖康复全阶段的系统化康复方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法，特别涉及一种基于虚拟现实、智能传感设备以及神经电刺激的康复系统，用于由脑卒中、脊髓神经损伤、脑瘫等由神经系统功能损伤所引起的肢体运动功能障碍的康复。
背景技术
对于肢体运动功能障碍的康复需要根据患者所处的康复阶段使用不同的康复方法。目前对于运动功能康复阶段的划分有不同的标准，其中较为主流的包括了Brunnstrom的康复六阶段、MRC六级肌力评估等。Brunnstrom将康复分为瘫软期、痉挛期、联合运动期、分离运动期、精细运动期和恢复期六个阶段，而肌力评估标准也将运动能力分为0-5的六级标准，其中0级为肌肉无任何收缩、1级为肌肉有收缩但无关节运动、2级为有关节运动但无法克服地心引力运动、3级开始可以对抗重力进行关节运动。在此为方便表述，将处于瘫软期或者MRC小于2级的患者称为康复早期阶段患者，其他为康复中后期阶段患者。
由神经系统损伤所引起的运动功能障碍是因为中枢神经系统中负责运动区域的神经元受损或者传递运动信号的神经系统受到损伤导致运动信号无法传达至目标肢体。针对此类运动障碍的康复有两种康复思路：Bottom-up和Top-down。Bottom-up方法是从肢端入手通过物理训练、肌肉刺激等方法刺激周围神经系统来帮助患者进行康复。此方法多见于传统的治疗方案，虽然它可以有效防止肌肉进一步萎缩造成的各种并发症，但其对中枢神经系统运动功能的恢复带来的帮助效果存疑，因而国际上更加重视使用新的Top-down方法并与传统的Bottom-up方法相结合来进行康复。Top-down方法是从中枢神经系统出发通过运动神经区域主动发出运动信号来促进患者运动功能的康复。
下面基于以上所述的康复阶段的划分和两种康复思路的概念来对主流的康复手段进行进一步分析：
A 康复运动疗法：
康复运动疗法是指利用器械、徒手或患者自身力量，使患者获得全身或局部运动功能、感觉功能恢复的训练方法。
优点：该疗法属于Top-down方法，对康复效果明显且确切，属于最主流的康复疗法。
缺点：该疗法只适用于康复中后期患者，对于没有运动能力的患者无法使用该方法进行康复；康复过程枯燥，患者的积极性和参与度不足；无法对运动情况进行数据收集和分析，其康复效果难以精准评估和调整。
B 虚拟现实技术：
虚拟现实技术已经在运动康复领域有许多应用尝试，现有的虚拟现实康复应用主要通过虚拟现实显示技术营造强沉浸感并配合传感器等体感交互技术大幅增加运动康复的趣味性从而提供患者康复的参与度和积极度。
优点：提高患者康复的积极度和参与度。
缺点：只适合康复中后期阶段的患者，对早期患者无能为力。
C神经生理疗法：
包括Bobath技术、Brunnstrom技术、Rood技术、PNF技术等。主要采取抑制异常姿势，促进正常姿势的发育和恢复的方法治疗中枢神经损伤的患者。
优点：可针对康复早期阶段患者。
缺点：属于Bottom-up方法，对运动神经的康复效果存疑，且需要人工辅助，在目前医生资源紧缺的情况下成本巨大。
D神经生物电刺激疗法：
包括经皮神经电刺激（TENS）和神经肌肉电刺激（EMS）疗法。通过中低频电流刺激局部肌肉从而引发肌肉收缩产生真实的运动行为。
优点：适用于康复早期阶段患者，防止肌肉萎缩。
缺点：属于Bottom-up方法，对运动神经的康复效果存疑。
E 外骨骼机器人：
通过外骨骼机器人、机械四肢等装置带动患者进行四肢的运动。
优点：可代替人工辅助运动，可适用于康复早期阶段患者。
缺点：属于Bottom-up方法，对运动神经的康复效果存疑，价格尤其高昂普通患者难以负担。
F 经颅磁刺激疗法：
经颅磁刺激使用一个磁力装置从头颅外部向脑内发射磁场脉冲,利用磁场引发脑细胞电流的适度改变,来刺激某些神经通路。通过改变它的刺激频率而分别达到兴奋或抑制局部大脑皮质功能的目的
优点：属于Top-down方法，无痛无创，效果直接。
缺点：作用机理和副作用尚未完全明确，少数出现不适或暂时性认知改变、记忆力损伤等副作用。
G运动想象疗法：
运动想象疗法（Motor Imagery Therapy）是由Vilayanur S. Ramachandran提出的通过反复的运动想象根据运动记忆在大脑中激活某一活动的特定区域从而达到恢复运动功能的目的。此方法有许多不同版本以及一些变种的实现方法，包括镜像疗法（MirrorTherapy）、行为观察疗法（Action Observation）、Graded Motor Imagery疗法等等。其理论基础是心理神经肌肉理论和镜像神经元理论。
优点：属于Top-down方法，不依赖患者残存的运动功能、可针对康复早期阶段患者进行治疗。
缺点：没有任何运动输出、无法缓解肌肉萎缩导致产生的并发症；重复的没有反馈的运动想象容易使患者感觉枯燥从而降低康复积极性。
上述方法中，运动康复疗法和现有的虚拟现实疗法对康复早期阶段患者无效；神经生理疗法、神经生物电刺激疗法和外骨骼机器人属于Bottom-up的康复思路、对于运动神经的康复效果不确切且成本高昂；现有的运动想象疗法和经颅磁刺激疗法虽然是Top-down的康复思路但运动单一的运动想象疗法存在无运动输出和反馈的问题而经颅磁刺激尚在早期尝试阶段其作用机理和副作用尚未完全明确。因此，我们需要一种新的康复手段。
中国专利公开号“106178427A”公开了一种基于多人交互虚拟现实的手功能训练与评估系统。它是通过手部运动信息采集模块实时记录多名手功能异常患者的手部运动信息，经过分析与处理后，控制多人交互虚拟现实系统中对应的角色，实现多名手功能异常患者在同一个虚拟现实场景中同时进行训练的功能。上述系统虽然使用虚拟现实疗法改善了运动康复的体验但其要求患者的手部拥有一定的运动能力，而实际临床当中大量处于早期康复阶段（Brunnstrom瘫软期和MRC<2级）的患者上下肢都可能有完全运动障碍的情况。而此时该系统便无法采集患者相应的运动数据。
中国专利公开号“106371588A”公开了一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法。它通过收集和分析患者的脑电信号来判断患者是否在进行运动想象的行为，并在检测到患者的想象运动时在虚拟环境中以3D的形式表现此运动行为。这种方法虽然改善了运动想象中患者无法获得想象的反馈的问题，但是无法解决没有运动输出的问题。因而无法缓解长期没有真实的运动行为而造成的肌肉萎缩及其并发症。并且现有的运动想象脑电算法的精度仅有不到80%，无法满足患者对于精确度和实时性的要求。
中国专利公开号“204813892U”公开了一种用于镜像神经元康复训练的装置。该装置使用虚拟显示器对患者播放事前录制的运动视频，从而让患者通过行为观察和运动想象的方法来进行运动功能的康复。该装置虽然结合了虚拟现实和运动想象疗法，但其并没有解决传统运动想象疗法所存在的缺少想象反馈以及没有运动输出的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够解决现有技术中存在的上述问题的方法，该系统基于虚拟现实技术和神经电刺激技术，结合康复运动疗法和运动想象疗法的优势，从而有效覆盖康复早期阶段和中后期阶段两类人群并且弥补了传统运动想象疗法中没有任何运动输出的不足。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，包括以下功能设备：
交互输入设备，用于采集患者动作信号；
运动想象设备，产生虚拟肢体，给予患者沉浸式体验；
电刺激设备，产生神经生物电刺激患者运动；
数据分析设备，分析和显示患者数据；
系统处理器，与上述各设备相连，用于接收、发送和处理数据，并控制设备执行各种训练内容。
依托于虚拟现实应用技术下的呈现方式，结合基于智能传感器的交互输入设备以及神经生物电刺激设备，使用康复运动疗法和运动想象疗法来实现覆盖康复全阶段的系统化康复方案。
作为优选，所述的交互输入设备包括依次连接的动作传感设备、动作信号传输设备和信号处理解析设备。
作为优选，所述动作传感设备包括惯性动作感知设备和动作捕捉设备。
作为优选，所述的惯性动作感知设备包括基于加速度计、陀螺仪和磁力计的智能手环或游戏手柄，所述的动作捕捉设备包括基于摄像头和红外捕捉技术的设备。
作为优选，所述的运动想象设备为头戴式虚拟现实全景眼镜、大屏显示器、环绕式投影屏幕中的一种或几种。
作为优选，所述的电刺激设备根据患者肢体障碍程度的不同以及康复阶段的不同可使用经皮神经电刺激和神经肌肉电刺激。
作为优选，所述的数据分析设备包括时域分析：各关节的弯曲角度、运动速度、爆发力大小；频域分析：能量、频率分布；非线性分析：复杂网络、平滑度和随机度。
作为优选，所述训练内容包括以下中的一种或者多种的任意组合：上肢肩关节向外、向前旋转；上肢肘关节屈曲、伸展；上肢腕关节屈曲、伸展；下肢髋关节内收、外展；下肢膝关节屈曲、伸展；基于目标导向和实时反馈的游戏化训练；基于生活场景的作业训练。
作为优选，所述动作信号传输设备包括蓝牙、Wifi和ZigBee中的一种或几种。
一种上述康复系统的康复方法，其特征是，包括以下步骤：
1）安装或者让患者佩戴交互输入设备、电刺激设备；
2）患者通过运动想象设备观看训练内容；
3）患者按照训练内容提示对保留有运动功能的肢体进行运动训练；
4）交互输入设备将患者的运动信号输入到系统处理器中进行放大并在运动想象设备中同步显示；
5）运动想象设备中运动障碍侧的虚拟肢体也跟随健侧肢体一起运动，引导患者观察虚拟肢体的运动并据此对自身运动障碍的肢体进行运动想象的训练；
6）电刺激设备通过神经电的低频或中频电信号将运动信号同步输出给患者有运动障碍的肢体并刺激患肢肌肉收缩产生同步运动；
7）通过数据分析设备同步观察患者所进行的训练内容以及反映其训练状况的分析数据从而相较于传统的主观观察可以得到更精准的判断依据；
8）当患者结束当次训练时数据分析设备输出其训练成果的分析数据报表。
其中，步骤2）中可设定的训练目标和难度根据患者实际康复情况动态进行调整。
所述步骤3）中所述保留有运动功能的肢体是指运动功能受损但仍残留部分运动功能的肢体或者是偏瘫患者的健侧肢体。
所述步骤6）可根据患者康复程度的提升降低电流强度或者去掉电流刺激转而让患者根据运动想象进行主动的运动。
所述步骤7）中涉及的分析数据包括时域分析：各关节的弯曲角度、运动速度、爆发力大小；频域分析：能量、频率分布；非线性分析：复杂网络、平滑度和随机度。
在训练过程中，智能传感器全程监控患者的运动数据，通过数据的分析和对以往数据的比对来评估康复效果。
本产品具有以下优点：
1、针对运动障碍康复早期的患者使用虚拟现实技术的强沉浸式体验和神经生物电刺激设备对周围神经系统的刺激、结合运动想象疗法使得局部肢体运动功能完全丧失的患者加快康复速度，弥补了传统运动想象疗法过程枯燥以及没有任何运动输出的不足；
2 、针对运动障碍康复中后期的患者使用虚拟现实技术的强沉浸式体验和智能传感设备、结合康复运动疗法弥补了传统康复运动过程枯燥、缺少患者运动数据收集与分析的不足。
3 、解决了传统康复训练需要大量具备康复资质的医护人员进行一对一当面交流的局限。使用虚拟现实相关设备使得大规模进行有效的康复训练成为可能。可大幅减少人员成本、提高康复效率。
附图说明
图1是本发明实施例的系统示意图。
图2是本发明实施例的康复方法流程图。
标号说明：交互输入设备1、动作传感设备11、惯性动作感知设备111、动作捕捉设备112、动作信号传输设备12、信号处理解析设备13、运动想象设备2、VR头戴式观看设备21、虚拟运动状态渲染装置22、电刺激设备3、电刺激输入信号处理设备31、电刺激装置32、数据分析设备4、分析数据模块41、分析报告输出模块42、数据显示器43、打印设备44、系统处理器5。
具体实施方式
以下结合具体实施例来说明本发明，下列实施例仅用于说明本发明的技术方案，并不限定本发明的保护范围。
本技术方案的关键点在于基于虚拟现实技术下使用运动想象疗法结合神经生物电刺激，本发明应用的场景是康复机构。
本技术方案的原理说明：
在各类神经损伤引起的包括偏瘫、截瘫等在内的各种肢体运动功能障碍通常由于原始的运动信号传导通路阻断造成。而根据神经可塑性理论患者可以通过康复训练在存活的神经元中通过代偿机制建立新的神经连接从而建立新的运动信号传递通路。在这个过程中运动想象疗法被广泛应用，尤其是Nikhil Sharma等人在2006年发现人们在做运动想象训练时中枢神经的主运动皮质区（Primary Motor Cortex）会被有效激活，同时运动想象对于患者的运动学习有显著帮助。该康复方法往往结合镜像疗法（Mirror Therapy）共同使用。镜像疗法最初是由Vilayanur S.Ramachandran发明，用于缓解幻肢疼痛的问题。随后该方法被广泛用于脑卒中在内的肢体运动康复。镜像疗法是让患者的健侧肢体进行运动，并通过镜子中的镜像成像原理来模拟出患侧肢体的运动形象；通过让患者观察自己虚拟患侧肢体的运动状态来加速自身的康复。此方法的理论基础是大脑镜像神经元理论。也即是大脑的镜像神经元可以通过观察类似自身的肢体运动来刺激运动神经进行康复。随后LorimerMoseley开发出了Graded Motor Imagery方法将运动想象和镜像疗法结合来进行康复训练。而虚拟现实技术由于其对于使用者带来的强沉浸感，因此其在康复领域的应用也已经被众多科研机构和康复机构所接受。在科研领域，将运动想象疗法和虚拟现实相结合的尝试也已经证明了其对患者的康复效果有显著改善。Hyungjun Im等人在2016年通过大量临床测试验证了运动想象+虚拟现实的方法比单独使用运动想象或者单独使用虚拟现实技术对患者的康复效果会有大幅提升。
实施例一：
系统架构如图1所示，一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，包括以下功能设备：
交互输入设备1，用于采集患者动作信号；
运动想象设备2，产生虚拟肢体，给予患者沉浸式体验；
电刺激设备3，产生神经生物电刺激患者运动；
数据分析设备4，分析和显示患者数据；
系统处理器5（计算机），与上述各设备相连，用于接收、发送和处理数据，并控制设备执行各种训练内容。
本实施例的交互输入设备1包括依次连接的动作传感设备11、动作信号传输设备12和信号处理解析设备13。其中，动作传感设备11包括惯性动作感知设备111和动作捕捉设备112，具体地，惯性动作感知设备111包括基于加速度计、陀螺仪和磁力计的智能手环或游戏手柄，动作捕捉设备112包括基于摄像头和红外捕捉技术的设备。本实施例中的动作信号传输设备12包括蓝牙、Wifi和ZigBee中的一种或几种。
本实施例的运动想象设备2为头戴式虚拟现实全景眼镜（VR头戴式观看设备21）、大屏显示器、环绕式投影屏幕中的一种或几种，系统处理器5经过虚拟运动状态渲染装置22发送至VR头戴式观看设备21。
本实施例的电刺激设备3包括电刺激输入信号处理设备31和电刺激装置32、电信号经过电刺激输入信号处理设备31到达电刺激装置32，电刺激装置32再根据患者肢体障碍程度的不同以及康复阶段的不同可使用经皮神经电刺激（TENS）和神经肌肉电刺激（NMES）。
本实施例的的数据分析设备4包括时域分析：各关节的弯曲角度、运动速度、爆发力大小；频域分析：能量、频率分布；非线性分析：复杂网络、平滑度和随机度。该数据分析设备4由分析数据模块41、分析报告输出模块42、数据显示器43和打印设备44组成，其中，分析数据模块41处理分析系统处理器5传来的数据，经分析报告输出模块42，通过数据显示器43和打印设备44组成导出数据。
本实施例的训练内容包括以下中的一种或者多种的任意组合：上肢肩关节向外、向前旋转；上肢肘关节屈曲、伸展；上肢腕关节屈曲、伸展；下肢髋关节内收、外展；下肢膝关节屈曲、伸展；基于目标导向和实时反馈的游戏化训练；基于生活场景的作业训练。
实施例二：
如图2所示，本实施例是一种基于上述虚拟现实VR头戴式观看设备、智能运动手环以及经皮神经电刺激的康复系统的方法，用于由脑卒中所引起的上肢运动功能障碍的康复，包括以下步骤：
1）安装或者让患者佩戴交互输入设备1、电刺激设备3；
2）患者通过运动想象设备2观看训练内容；
3）患者按照训练内容提示对保留有运动功能的肢体进行运动训练；
4）交互输入设备1将患者的运动信号输入到系统处理器5中进行放大并在运动想象设备2中同步显示；
5）运动想象设备2中运动障碍侧的虚拟肢体也跟随健侧肢体一起运动，引导患者观察虚拟肢体的运动并据此对自身运动障碍的肢体进行运动想象的训练；
6）电刺激设备3通过神经电的低频或中频电信号将运动信号同步输出给患者有运动障碍的肢体并刺激患肢肌肉收缩产生同步运动；
7）通过数据分析设备4同步观察患者所进行的训练内容以及反映其训练状况的分析数据从而相较于传统的主观观察可以得到更精准的判断依据；
8）当患者结束当次训练时数据分析设备4输出其训练成果的分析数据报表。
其中，步骤2）中可设定的训练目标和难度根据患者实际康复情况动态进行调整。
所述步骤3）中所述保留有运动功能的肢体是指运动功能受损但仍残留部分运动功能的肢体或者是偏瘫患者的健侧肢体。
所述步骤6）可根据患者康复程度的提升降低电流强度或者去掉电流刺激转而让患者根据运动想象进行主动的运动。
所述步骤7）中涉及的分析数据包括时域分析：各关节的弯曲角度、运动速度、爆发力大小；频域分析：能量、频率分布；非线性分析：复杂网络、平滑度和随机度。
更为具体的实施例三：
一种基于上述虚拟现实VR头戴式观看设备、智能运动手环以及经皮神经电刺激的康复系统的方法，用于由脑卒中所引起的上肢运动功能障碍的康复，具体实现的方法：
一 、佩戴VR头盔，健侧手臂佩戴智能运动手环，患侧手臂佩戴经皮神经电刺激设备3，康复医师通过计算机显示器观察患者运动情况和实时数据。
二 、患者通过VR设备观看训练内容
训练内容包含以下内容：
虚拟场景中显示患者的两个虚拟手臂。
场景中提示对应的虚拟健侧手臂按一定节奏抬起触碰目标物体。
虚拟手臂放下回到原处。
三 、患者佩戴有智能运动手环的健侧手臂按照提示的内容抬起自己的健侧手臂。
四、场景中的虚拟健侧手臂和患侧手臂会同时根据运动手环感知到的数据同步抬起。
五、患者观察场景中患侧虚拟手臂的运动想象自己患侧手臂跟随其进行运动。
六、经皮神经电设备按照场景中虚拟手臂的抬升产生相应的低频电流刺激患者的患侧手臂做同步抬升从而产生同步的真实运动。
七、按照步骤二到六反复进行5-10分钟。
能够实现本发明目的的一些可替代方案：
作为虚拟现实的观看设备，可以使用基于全景技术的头戴式观看设备也可以使用大屏显示器、环绕式投影屏幕等。智能传感设备包括基于加速度计、陀螺仪和磁力计的智能手环、游戏手柄以及基于摄像头和红外捕捉技术的Kinect等设备。神经生物电设备可以根据患者康复情况选择经皮神经电刺激（TENS）或者肌肉神经电刺激（NMES）。
以上公开的仅为本申请的具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，包括以下功能设备：
交互输入设备，用于采集患者动作信号；
运动想象设备，产生虚拟肢体，给予患者沉浸式体验；
电刺激设备，产生神经生物电刺激患者运动；
数据分析设备，分析和显示患者数据；
系统处理器，与上述各设备相连，用于接收、发送和处理数据，并控制设备执行各种训练内容。
2.根据权利要求 1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的交互输入设备包括依次连接的动作传感设备、动作信号传输设备和信号处理解析设备。
3.根据权利要求2所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述动作传感设备包括惯性动作感知设备和动作捕捉设备。
4.根据权利要求3所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的惯性动作感知设备包括基于加速度计、陀螺仪和磁力计的智能手环或游戏手柄，所述的动作捕捉设备包括基于摄像头和红外捕捉技术的设备。
5.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的运动想象设备为头戴式虚拟现实全景眼镜、大屏显示器、环绕式投影屏幕中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的电刺激设备根据患者肢体障碍程度的不同以及康复阶段的不同可使用经皮神经电刺激和神经肌肉电刺激。
7.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的数据分析设备包括时域分析：各关节的弯曲角度、运动速度、爆发力大小；频域分析：能量、频率分布；非线性分析：复杂网络、平滑度和随机度。
8.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述训练内容包括以下中的一种或者多种的任意组合：上肢肩关节向外、向前旋转；上肢肘关节屈曲、伸展；上肢腕关节屈曲、伸展；下肢髋关节内收、外展；下肢膝关节屈曲、伸展；基于目标导向和实时反馈的游戏化训练；基于生活场景的作业训练。
9.根据权利要求2所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述动作信号传输设备包括蓝牙、Wifi和ZigBee中的一种或几种。
10.一种基于上述权利要求1-9任意一项康复系统的康复方法，其特征是，包括以下步骤：
安装或者让患者佩戴交互输入设备、电刺激设备；
患者通过运动想象设备观看训练内容；
患者按照训练内容提示对保留有运动功能的肢体进行运动训练；
交互输入设备将患者的运动信号输入到系统处理器中进行放大并在运动想象设备中同步显示；
运动想象设备中运动障碍侧的虚拟肢体也跟随健侧肢体一起运动，引导患者观察虚拟肢体的运动并据此对自身运动障碍的肢体进行运动想象的训练；
电刺激设备通过神经电的低频或中频电信号将运动信号同步输出给患者有运动障碍的肢体并刺激患肢肌肉收缩产生同步运动；
通过数据分析设备同步观察患者所进行的训练内容以及反映其训练状况的分析数据从而相较于传统的主观观察可以得到更精准的判断依据；
当患者结束当次训练时数据分析设备输出其训练成果的分析数据报表。
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