CN107638629A - 一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统，包括采集装置，还包括多模态滑模自适应康复训练控制中心和分阶段手部活动训练装置；多传感器手部运动意图识别装置和脑部神经通路重建可视化装置中至少一种；功能电刺激的电极布置和刺激装置、柔性仿生肌肉协助装置中至少一种。本发明提出一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统，基于脑科学、传感技术、多信息融合技术、智能控制、机器人仿生技术和医疗电刺激技术，将患者想要恢复的主观意愿纳入康复训练策略，采用内外双反馈、双辅助的手部康复训练系统。本系统通过将患者脑部恢复、神经重建以及肌肉的恢复可视化展示出来。

Description

一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术的技术领域，特别是一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统。

背景技术

脑卒中是一种高死亡率和高致残率的脑血管疾病，大部分的患者会不同程度地丧失运动功能。现代康复医学研究认为康复训练对患者的运动功能康复具有重大的促进作用。其中手部功能的康复是精细康复，手部关节和神经末梢相对复杂，并且肌肉多为小肌肉，传统治疗师手工康复耗时多、效果差。因此，脑卒中患者的手功能康复训练是目前亟待解决的一大难题。目前有关脑卒中患者运动功能恢复的论文和专利以及产品中，大多重视锻炼肌肉的外骨骼机械功能设计和电刺激技术的设计，没有将患者的运动意图纳入控制系统，单纯的被动训练难以使患者获得重新恢复的信心。

申请号为CN105919772A的发明专利申请公开了一种可穿戴的手部康复训练装置，用于实现人体手部康复训练，包括：手套体，所述手套体包括一组仿生肌条，所述仿生肌条内设有若干独立的充气气囊，所述仿生肌条可带动人体手部实现屈伸、内收、外展、旋转等多自有角度活动。该系统不能使患者了解自身的受损程度、恢复情况，单纯的被动训练容易让患者产生挫败感。

申请号为CN102423532A的发明申请公开了一种多功能手部康复训练器，包括箱体，还包括：触摸屏主机、打地鼠模块、拼图模块、电源模块、操作工具，上述箱体分为相互铰接的并且开合角度能调节的上箱体和下箱体，上述拼图模块包括：设置在上述下箱体中的拼图矩阵、能固定在上述拼图矩阵中的拼图小块；上述操作工具包括：操作手柄、拼图夹钳等。该申请中的装置虽然可以通过多种游戏实现手部功能康复，但是并不能实时反馈康复效果，不能够随时调整康复计划，而且没有将患者脑部和肌肉之间的关联重建采用可视化方式显示出来，让患者通过对自身机能的恢复获得信心。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统，基于脑科学、传感技术、多信息融合技术、智能控制、机器人仿生技术和医疗电刺激技术，将患者想要恢复的主观意愿纳入康复训练策略，采用内外双反馈、双辅助的手部康复训练系统。本系统通过将患者脑部恢复、神经重建以及肌肉的恢复可视化展示出来。

本发明提供一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统，包括采集装置，还包括以下模块：

多模态滑模自适应康复训练控制中心和分阶段手部活动训练装置；

多传感器手部运动意图识别装置和脑部神经通路重建可视化装置中至少一种；

功能电刺激的电极布置和刺激装置、柔性仿生肌肉协助装置中至少一种。

优选的是，所述采集装置包括人体生物电采集装置和/或人体姿态位置采集装置。

在上述任一方案中优选的是，所述人体生物电采集装置包括用于采集手部肌肉群的生物电信号的传感器、用于采集脑部相应位置的脑电信号的传感器和用于采集神经电信号的传感器中至少一种。

在上述任一方案中优选的是，所述传感器由采用MEMS技术生产的微纳传感器和可内置的柔弹触觉传感器组成。

在上述任一方案中优选的是，所述人体生物电采集装置的工作步骤如下：

步骤01：采集正常人的生物电信息，提供给多模态滑模自适应康复训练控制中心用于建立正常手部生物电模型；

步骤02：采集脑卒中患者的手部初始状态生物电信息，为判断手部运动功能受损提供信息；

步骤03：反馈患者训练过程中生物电信息，并判断采用哪种辅助疗法以及辅助到何种程度。

在上述任一方案中优选的是，所述人体姿态位置采集装置用于采集手、腕、肘、臂和肩中至少一种部位的位置、速度、角度和角速度中至少一种参数。

在上述任一方案中优选的是，所述人体姿态位置采集装置的工作步骤如下：

步骤11：采集这些状态的初始状态参数；

步骤12：运动时采集正常人的状态参数从而确定正常运动轨迹；

步骤13：采集患者的同样运动时的状态参数，判断手部运动功能受损提供信息；

步骤14：反馈患者在训练过程中姿态信息。

在上述任一方案中优选的是，所述多传感器手部运动意图识别装置包括眼球轨迹运动记录仪。

在上述任一方案中优选的是，所述多传感器手部运动意图识别装置用于记录眼睛运动轨迹，结合脑电信号判断患者手部运动意图。

在上述任一方案中优选的是，所述脑部神经通路重建可视化装置用于患者内反馈的建立。

在上述任一方案中优选的是，所述脑部神经通路重建可视化装置的工作步骤如下：

步骤21：根据正常人脑电信号、神经电信号、手部肌肉信号建立正常脑部神经通路地图显示在手机APP、IPAD或触摸屏上；

步骤22：对比从重度、中度到轻度患者的相应初始状态状态，多模态滑模自适应康复训练控制中心为其设定不同步骤的、不同难易度的康复训练计划；

步骤23：把所述康复训练计划分成若干关卡，通过康复训练反馈结果判断是否冲关成功，相应的脑神经建立互联，同时获得相应的奖励；

步骤24：通过患者对自己身体变化的了解达到内反馈激励效果。

在上述任一方案中优选的是，所述多模态滑模自适应康复训练控制中心用于将患者想要恢复的主观意愿纳入康复训练策略，通过将患者脑部恢复、神经重建以及肌肉的恢复可视化展示出来，让患者通过对自身逐渐恢复状态的了解建立内反馈和外反馈重新树立信心，实现脑、神经、肌肉之间的关联重建。

在上述任一方案中优选的是，所述内反馈指的是将自身脑神经通路的渐进重建过程与正常人应有状态的对比，采用脑电、神经电信号将脑神经通路重建可视化，从而巩固患者手部功能可以恢复的信心和决心。

在上述任一方案中优选的是，所述外反馈指的让患者通过生物电和人体姿态数据的可视化反馈，了解自己主观运动意识与实际动作效果之间的偏差，通过康复训练由被动训练到主动的训练过度过程真正实现手部功能的恢复。

在上述任一方案中优选的是，所述多模态滑模自适应康复训练控制中心具有如下功能：

1）根据所述人体生物电采集装置和所述人体姿态位置采集装置获得的信息完成手部静止状态生物电信息、姿态信息提取；

2）根据所述人体生物电采集装置完成手部肌肉群受损状态提取；

3）根据所述人体生物电采集装置采集到正常人的手部生物电信号建立正常手部模型，与患者手部生物电信息模型相比较明确患者肌肉受损程度；

4）根据患者受损程度确定重度、中度、轻度和基本正常多阶段康复训练策略；

5）根据不同阶段的患者制定被动、助力、主动、抗阻多模态的自适应康复训练计划，促进患者自身内反馈的良性循环；

6）在训练过程中根据所述多传感器手部运动意图识别装置确定患者主观运动意识；

7）根据所述人体生物电采集装置和所述人体姿态位置采集装置采集到的实际动作效果确定辅助方式，包括生物电刺激、柔性机械手辅助和二者协同辅助；

8）让患者通过手部功能的逐渐恢复建立自身外反馈良性循环；

9）根据患者肌肉受损程度确定功能电刺激电极布置及脉冲序列刺激策略、柔性机械手辅助策略和协同辅助策略。

在上述任一方案中优选的是，所述功能电刺激电极布置和刺激装置的工作步骤如下：

步骤31：根据多模态滑模自适应康复训练控制中心制定的功能电刺激电极布置策略进行患者手部电极布置；

步骤32：实现针对单个肌肉和肌肉群不同训练目的进行刺激；刺激装置为多通道表面电压电刺激器。

在上述任一方案中优选的是，所述柔性仿生肌肉协助装置包括仿生肌肉和附加在所述仿生肌肉上的柔性材料。

在上述任一方案中优选的是，所述柔性材料由弹性高分子材料PDMS和柔性压阻橡胶阵列，是利用传统加工方法结合3D打印和纳米制造的高柔弹性材料。

在上述任一方案中优选的是，所述分阶段手部活动训练装置用于根据患者不同的受损程度提供不同的训练设施。

在上述任一方案中优选的是，所述分阶段手部活动训练装置包括重度、中度和轻度中至少一个阶段。

在上述任一方案中优选的是，每个所述阶段包含强制训练、配合训练、舒适训练、休闲训练和渴望训练中至少一个不同层次。

在上述任一方案中优选的是，每个所述层次内有由易到难无缝衔接的N个可视化互动训练游戏。

本发明提出双反馈双辅助手部功能康复训练系统将患者的主观意愿纳入控制策略，由其自身的脑神经重建和肌肉功能实现内外双反馈实现手部功能恢复。

附图说明

图1为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的一优选实施例的结构图。

图1A为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的人体生物电采集装置工作的如图1所示实施例的流程图。

图1B为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的人体姿态位置采集装置工作的如图1所示实施例的流程图。

图1C为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的脑部神经通路重建可视化装置工作的如图1所示实施例的流程图。

图1D为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的功能电刺激电极布置和刺激装置工作的如图1所示实施例的流程图。

图2为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的手部康复训练系统内反馈激励机制的一实施例的流程图。

图3为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的手部康复训练系统外反馈激励机制的一实施例的流程图。

图4为按照本发明的双反馈双辅助手部功能康复训练系统的手部康复训练系统内外双反馈激励机制的一实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种采用内外双反馈、柔性仿生肌肉和功能电刺激双辅助的手部康复训练系统，该系统融机械电子、检测与处理、多信息融合技术于一体，其整体结构包括8个模块：（1）人体生物电采集装置100；（2）人体姿态位置采集装置110；（3）脑部神经通路重建可视化装置120；（4）多传感器手部运动意图识别装置130；（5）多模态滑模自适应康复训练控制中心140；（6）功能电刺激的电极布置和刺激装置150；（7）柔性仿生肌肉协助装置160；（8）分阶段手部活动训练装置170（从手的简单动作如抓握的训练到日常生活需要的肌肉群配合的敲击拿捏等精细动作）。

人体生物电采集装置100既包括采集手部肌肉群的生物电信号采集，又包括采集脑部相应位置的脑电信号采集和神经电采集。鉴于手部都是灵活操作的小肌肉，这些传感器可采用MEMS技术生产的微纳传感器和可内置的柔弹触觉传感器组成。人体生物电采集装置100的工作步骤如图1A所示，执行步骤101，采集正常人的生物电信息，提供给多模态滑模自适应康复训练控制中心用于建立正常手部生物电模型。执行步骤102，采集脑卒中患者的手部初始状态生物电信息，为判断手部运动功能受损提供信息；执行步骤103，用于反馈患者训练过程中生物电信息，用于判断采用哪种辅助疗法以及辅助到何种程度。这些传感器信号为多模态滑模自适应康复训练控制中心提供信息。这些信息是患者外反馈的部分输入信号和反馈信号。

人体姿态位置采集装置110用于采集手、腕、肘、臂和肩等部位的位置、速度、角度和角速度等参数。人体姿态位置采集装置110的工作步骤如图1B所示，执行步骤111，采集这些状态的初始状态参数。执行步骤112，运动时采集正常人的状态参数从而确定正常运动轨迹；执行步骤113，采集患者的同样运动时的状态参数用于判断手部运动功能受损提供信息。执行步骤114，用于反馈患者在训练过程中姿态信息，用于判断采用哪种辅助疗法以及辅助到何种程度反馈。这些传感器信号为多模态滑模自适应康复训练控制中心提供信息。这些信息是患者外反馈的部分输入信号和反馈信号。人体姿态位置采集装置110包括手部姿态传感器，手部姿态传感器为MEMS技术生产的微纳型位置、速度、角度、角速度、加速度、角加速度传感器。

脑部神经通路重建可视化装置120用于患者内反馈建立环节。脑部神经通路重建可视化装置120的工作步骤如图1C所示，执行步骤121，根据正常人脑电信号、神经电信号、手部肌肉信号建立正常脑部神经通路地图显示在手机APP、IPAD或触摸屏上。执行步骤122，对比从重度、中度到轻度患者的相应初始状态状态，多模态滑模自适应康复训练控制中心为其设定不同步骤的、不同难易度的康复训练计划。执行步骤123，将康复训练计划分成若干关卡，通过康复训练反馈结果判断是否冲关成功，相应的脑神经建立互联，同时获得相应的奖励。执行步骤124，通过患者对自己身体变化的了解达到内反馈激励效果。

多传感器手部运动意图识别装置130采用眼球轨迹运动记录仪记录眼睛运动轨迹，结合脑电信号判断患者手部运动意图。将运动意图信息传递给多模态滑模自适应康复训练控制中心为采取何种训练模式提供依据。这些信息是患者外反馈的给定信号。

多模态滑模自适应康复训练控制中心140用于将患者想要恢复的主观意愿纳入康复训练策略，通过将患者脑部恢复、神经重建以及肌肉的恢复可视化展示出来，让患者通过对自身逐渐恢复状态的了解建立内外双向反馈重新树立信心，实现脑、神经、肌肉之间的关联重建。其中内反馈指的是将自身脑神经通路的渐进重建过程与正常人应有状态的对比，采用脑电、神经电信号将脑神经通路重建可视化，从而巩固患者手部功能可以恢复的信心和决心；外反馈指的让患者通过生物电和人体姿态数据的可视化反馈，了解自己主观运动意识与实际动作效果之间的偏差，通过康复训练由被动训练到主动的训练过度过程真正实现手部功能的恢复。多模态滑模自适应康复训练控制中心130具有以下功能：

1）根据人体生物电采集装置和人体姿态位置采集装置获得的信息完成手部静止状态生物电信息、姿态信息提取；

2）根据人体生物电采集装置完成手部肌肉群受损状态提取；

3）根据人体生物电采集装置采集到正常人的手部生物电信号建立正常手部模型，与患者手部生物电信息模型相比较明确患者肌肉受损程度；

4）根据患者受损程度确定重度、中度、轻度和基本正常多阶段康复训练策略；

5）根据不同阶段的患者制定被动、助力、主动、抗阻多模态的自适应康复训练计划，促进患者自身内反馈的良性循环；

6）训练过程中根据多传感器手部运动意图识别装置确定患者主观运动意识；

7）根据人体生物电采集装置和人体姿态位置采集装置采集到的实际动作效果确定辅助方式，包括生物电刺激、柔性机械手辅助和二者协同辅助；

8）让患者通过手部功能的逐渐恢复建立自身外反馈良性循环；

9）根据患者肌肉受损程度确定功能电刺激电极布置及脉冲序列刺激策略、柔性机械手辅助策略和协同辅助策略。

功能电刺激的电极布置和刺激装置150工作的步骤如图1D所示，执行步骤151，根据多模态滑模自适应康复训练控制中心130制定的功能电刺激电极布置策略进行患者手部电极布置。执行步骤152，实现针对单个肌肉和肌肉群不同训练目的进行刺激，刺激装置为多通道表面电压电刺激器。

柔性仿生肌肉协助装置160是在仿生肌肉外附加柔性材料，它可与手部自然贴合，避免坚硬的机械外骨骼对手部造成的伤害。其中柔性材料是由弹性高分子材料PDMS和柔性压阻橡胶阵列，利用传统加工方法结合3D打印和纳米制造的高柔弹性材料；其中内置的柔性压阻橡胶阵列可作为柔弹触觉传感器压力传感器采集手部康复训练中施加的压力。

分阶段手部活动训练装置180用于根据患者不同的受损程度提供不同的训练设施。它可与脑部神经通路重建可视化装置结合成一体做成一款APP。可以用手机、IPAD或较大显示屏。通过无缝衔接的阶段游戏让患者爱上康复训练。当需要训练的肌肉或肌肉群康复成功，动作顺利完成游戏屏会出现祝贺成功的声光图像，增加患者的愉悦感。同时游戏界面出现脑神经通路的链接现状与之前状态的对比，帮助患者获得康复信心。该装置可分为重度、中度、轻度三个阶段，每个阶段包含强制训练、配合训练、舒适训练、休闲训练、渴望训练5个不同层次，每个层次内有由易到难无缝衔接的20个可视化互动训练游戏。为逐渐提升患者训练的意愿，每个游戏有解锁关卡、提升关卡、流畅关卡和完美关卡，其中解锁管卡不设定游戏时间，可根据自己的实际情况慢慢训练；一旦通过解锁关卡，游戏时间就有了限制，提升管卡需要在1小时内完成；流畅关卡需要在45分钟完成；完美关卡需要在半小时内完成。通过关卡设置让患者持续挑战自我，完成康复训练，达到训练效果。

实施例二

如图2所示，把患者实际脑神经状态220与正常脑神经状态相比较，将二者偏差比较结果200传递给康复训练中心，供康复训练中心提供训练方案，患者实施康复训练中心提供的训练方案后大脑神经重建可视化210后大脑神经进行重建，将重建结果220与正常脑神经状态再进行比较，根据恢复程度重新选择康复方案并实施，直至恢复。在此过程中，患者可通过脑部神经通路可视化装置了解自己通过训练后脑神经恢复状态，通过自身精神层面建立的内反馈激发恢复正常的信心。

实施例三

如图3所示，把患者实际手部肌电信号显示的功能320与正常手部功能相比较，将二者偏差比较结果300传递给康复训练中心，供康复训练中心提供训练方案，患者实施康复训练中心提供的训练方案后手部功能提升310后手部功能肌电信号进行恢复，将恢复结果320与正常脑神经状态再进行比较，根据恢复程度重新选择康复方案并实施，直至恢复。在此过程中，患者可通过手部功能的逐渐恢复了解自己通过训练后的状态，通过自身肌肉层面建立的外反馈激发恢复正常的信心。

实施例四

如图4所示，建立患者内外双反馈机制。患者实际手部肌电信号显示的功能450与正常手部功能相比较，将二者偏差比较结果400综合患者脑电、神经电信号440与正常人脑电信号、神经电信号410比较结果传递给康复训练中心，供康复训练中心提供训练方案430，患者实施康复训练中心提供的训练方案430后脑神经重建430，将患者脑电、神经电结果440与正常脑神经状态再进行比较。患者实施康复训练中心提供的训练方案430后手部功能提升470，将患者肌电信号结果450与正常肌电信号再进行比较。根据恢复程度重新选择康复方案并实施，直至恢复。在此过程中，患者可通过脑部神经重现和手部功能的逐渐恢复内外双反馈及时了解自己通过训练后的状态，通过自身精神层面和肌肉层面建立的内外反馈激发恢复正常的信心。

实施例五

本专利基于脑科学、机器人仿生技术和医疗电刺激技术，采用一种内外双反馈、柔性仿生肌肉和功能电刺激双辅助的手部康复训练系统。通过将患者脑部恢复、神经重建以及肌肉的恢复可视化展示出来，让其通过内外双向反馈重新树立信心，实现脑、神经、肌肉之间的关联重建。其中内反馈指的是了解可视化神经通路的重建从而提升手部功能恢复；外反馈指的是主观运动意识与实际动作效果之间的反馈，通过主观意愿的实现达到外反馈效果。柔性仿生肌肉和功能电刺激双辅助指的是对不同阶段的患者采用不同的辅助功能。（1）对于重度患者，其手部功能完全丧失。对于无动作意图的患者只能通过电刺激被动治疗；对于有动作意图而肌肉无法动作的患者，可通过柔性机械手帮助其主动治疗。这些治疗措施帮助建立脑、神经、肌肉之间的初步对接。（2）恢复到中度，有动作意图但心有余而力不足，可以通过电刺激技术与柔性机械手共同协助实现运动意图，加速脑、神经、肌肉之间的重建。（3）恢复到轻度，就可以通过柔性机械手增加阻尼进行锻炼，帮助脑、神经、肌肉之间的信恢复正常。内外双反馈功能融入手部功能康复训练的每一个过程。

Claims (10)

1.一种双反馈双辅助手部功能康复训练系统，包括采集装置，其特征在于，还包括以下模块：

多模态滑模自适应康复训练控制中心和分阶段手部活动训练装置；

多传感器手部运动意图识别装置和脑部神经通路重建可视化装置中至少一种；

功能电刺激的电极布置和刺激装置、柔性仿生肌肉协助装置中至少一种。

2.如权利要求1所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述采集装置包括人体生物电采集装置和/或人体姿态位置采集装置。

3.如权利要求2所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述人体生物电采集装置包括用于采集手部肌肉群的生物电信号的传感器、用于采集脑部相应位置的脑电信号的传感器和用于采集神经电信号的传感器中至少一种。

4.如权利要求3所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述传感器由采用MEMS技术生产的微纳传感器和可内置的柔弹触觉传感器组成。

5.如权利要求4所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述人体生物电采集装置的工作步骤如下：

步骤01：采集正常人的生物电信息，提供给多模态滑模自适应康复训练控制中心用于建立正常手部生物电模型；

步骤02：采集脑卒中患者的手部初始状态生物电信息，为判断手部运动功能受损提供信息；

步骤03：反馈患者训练过程中生物电信息，并判断采用哪种辅助疗法以及辅助到何种程度。

6.如权利要求5所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述人体姿态位置采集装置用于采集手、腕、肘、臂和肩中至少一种部位的位置、速度、角度和角速度中至少一种参数。

7.如权利要求7所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述人体姿态位置采集装置的工作步骤如下：

步骤11：采集这些状态的初始状态参数；

步骤12：运动时采集正常人的状态参数从而确定正常运动轨迹；

步骤13：采集患者的同样运动时的状态参数，判断手部运动功能受损提供信息；

步骤14：反馈患者在训练过程中姿态信息。

8.如权利要求6所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述多传感器手部运动意图识别装置包括眼球轨迹运动记录仪。

9.如权利要求8所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述多传感器手部运动意图识别装置用于记录眼睛运动轨迹，结合脑电信号判断患者手部运动意图。

10.如权利要求9所述的双反馈双辅助手部功能康复训练系统，其特征在于：所述脑部神经通路重建可视化装置用于患者内反馈的建立。