CN110090421A - 基于脑机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可用于脑卒中后运动功能康复的智能机器人设备和服务体系。该发明将脑‑机接口和互联网技术与脑卒中后运动康复融合起来，提供一套利用脑‑机接口技术，实现用功能完好侧大脑半球替代功能受损侧大脑半球来支配瘫痪肢体的智能脑卒中康复机器人。同时，提供了一套可以实时进行远程康复监测和指导的移动设备和服务体系，从而更加充分利用现有有限的优质康复医疗资源，最终达到有效提高卒中康复效果和效率的目的。

Description

基于脑机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统
一、技术领域
本发明涉及医疗康复行业，具体涉及一种可用于脑卒中后运动功能康复的智能机器人设备和服务体系。
二、背景技术
1.脑卒中(Stroke)是世界范围内致残率、致死率最高的疾病之一。我国最新统计数据显示，我国每年卒中的发病率、患病率和死亡率分别246.8/100,000、1114.8/100,000和114.8/100,000。脑卒中后约四分之三的患者遗留不同程度的残疾而生活不能自理。随着我国人口老龄化趋势的加重，脑卒中的发病率、患病率、死亡率、复发率将呈现不断攀升的态势。脑卒中的发生给患者、家庭、社会、国家带来巨大的躯体、精神和经济负担。
2.卒中康复(Stroke rehabilitation)是促进卒中后神经功能障碍恢复、降低脑卒中后残疾程度的最佳干预方法。循证医学证据显示，卒中后进行有效的康复训练能够加速神经功能的恢复、减轻残疾状态的程度、降低生活依赖的程度，进而降低潜在因长期护理所需的高额费用和节约社会资源。
3.目前我国脑卒中康复医疗领域存在两大瓶劲问题，严重制约了卒中康复的效果转化和普及推广：其一：脑卒中临床康复亟待新型康复技术和康复模式的诞生。2016年新版国际《脑卒中康复指南》显示，许多传统康复技术并未像预期那样有效的改善脑卒中患者残损、残疾和残障状态。脑卒中临床康复亟待新型技术和模式来提高卒中康复的效果和效率。其二：我国脑卒中康复医疗资源“供给”和“需求”之间存在着严重的不平衡：首先，我国目前卒中康复的整体资源尚非常有限，远不能满足广大卒中患者的需求，因此就形成卒中康复医疗资源供给和需求之间“绝对不平衡”；其次，这些有限的卒中康复资源又更多的集中在发达地区、发达城市和大型医院，而占人口比例更大的欠发达地区、欠发达城市、中小型医院对卒中康复医疗服务的需求则更为迫切，这样就造成卒中康复医疗资源供给和需求之间又出现“相对不平衡”。这些问题已经成为制约我国卒中康复效果转化和普及推广的关键瓶颈问题。
4.脑-机接口(Brain Computer Interface)是在人脑与计算机或其它设备之间建立的直接的交流和控制通道，通过这种通道人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备，这可以有效增强残疾患者与外界交流或控制外部环境的能力，从而以提高患者的生活质量。脑卒中通常引起一侧大脑半球功能受损，而对侧大脑半球功能通常保存完好。利用脑-机接口技术我们就可以用功能正常侧大脑半球来替代功能受损侧大脑半球来控制瘫痪肢体，从而实现运动功能替代和运动功能康复的目的，最终有望大大提高卒中康复的效果和效率。
5.互联网医疗是互联网技术与传统医疗行业有机结合的新兴产物。与传统医疗模式相比，互联网医疗模式的优势在于利用移动互联网技术，跨地域、跨时间、跨机构的充分利用现有有限的医疗资源。因此，将移动互联网技术与卒中康复医疗服务有机结合是解决传统医疗模式中卒中康复医疗资源供给和需求之间矛盾的有效途径。
6.针对上述制约我国脑卒中康复医疗效果转化和普及推广中的关键瓶颈问题，该发明将脑-机接口技术和互联网技术与卒中后运动康复有机的融合起来，提供一套利用脑-机接口技术，实现用功能完好侧大脑半球替代功能受损侧大脑半球来支配瘫痪肢体的智能脑卒中康复机器人。同时，提供了一套可以实时进行远程康复监测和指导的移动设备和服务体系，以期跨地域、跨时间、跨机构的充分利用现有有限的优质康复医疗资源，最终达到有效提高卒中康复效果和效率，降低脑卒中相关致残率和疾病负担的目的。
三、发明内容
1.针对上述制约我国脑卒中康复医疗效果转化和普及推广的关键瓶颈问题，该发明将脑-机接口和互联网技术与脑卒中后运动康复有机的融合起来，提供一套利用脑-机接口技术，实现用功能完好侧大脑半球替代功能受损侧大脑半球来支配瘫痪肢体的智能脑卒中康复机器人。同时，提供了一套可以实时进行远程康复监测和指导的移动设备和服务体系，从而实现跨地域、跨时间、跨机构的充分利用现有有限的优质康复医疗资源，最终达到有效提高卒中康复效果和效率，降低脑卒中相关致残率和疾病负担的目的。
2.本发明解决其技术问题所采取的技术方案
基于脑机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统配备脑卒中运动康复评价系统、智能脑卒中运动康复机器人系统、远程医疗系统、云平台信息管理系统和电源系统。所述脑卒中运动康复评价系统、智能脑卒中运动康复机器人系统、远程医疗系统、云平台信息管理系统与电源系统连接。所述脑卒中运动康复评价系统、智能脑卒中运动康复机器人系统和远程医疗系统与云平台信息管理系统连接。所述脑卒中运动康复评价系统进一步包括患者全身状态评价系统、神经功能障碍评价系统、心理状态评价系统、社会经济状态评价系统和神经功能结局预测系统。所述全身状态评价系统进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者的年龄、性别、既往病史、生命体征、并发症和主要器官功能等。所述神经功能障碍评价系统进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者意识水平、认知功能、运动功能、语言功能和共济功能等。所述心理状态评价系统进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者焦虑状态、抑郁状态和性格特征等。所述社会经济状态评价系统进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者的职业特征、受教育程度、经济条件、医保状况、兴趣爱好和家庭状况等。所述神经功能结局预测系统进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价和预测患者不同时间点(如3个月、6个月和1年)死亡和残障发生概率。所述智能脑卒中运动康复机器人系统进一步包括运动想象模块、脑-机接口模块、外骨骼模块、表面肌电和功能电刺激模块、视觉反馈模块、重力补偿模块、体重支持模块、跑步训练机模块、传感器模块、控制模块、人-机交模块、驱动模块等。所述运动想象模块可以通过计算机屏幕信号提示，指导患者完成特定部位(如手、上肢或下肢)运动想象相关的特定任务(如保持静息状态、健肢运动、患肢运动想象、双侧肢体运动想象)。所述脑-机接口模块可以采集卒中患者脑电信号并进行分析，判断患者运动意图，并将分析结果转换为机器人指令，从而控制外骨骼模块，完成相应部位的训练动作。所述外骨骼模块进一步包括手外骨骼子模块、上肢外骨骼子模块、下肢外骨骼子模块。所述手外骨骼子模块可以辅助手掌部分关节，训练抓握功能和一些特定精细动作(如拇指对掌功能等)。所述上肢外骨骼子模块可以辅助患肢肩、肘、腕关节进行多关节复合运动训练。所述下肢外骨骼子模块可以辅助患肢髋、膝、踝关节进行多关节复合运动训练。所述表面肌电和功能电刺激模块可以根据所记录的表面肌电信号触发功能性电刺激，.从而诱发特定部位肌肉的收缩和辅助自主运动。所述视觉反馈模块可以将运动状态信息实时显示到电脑屏幕，为患者提供视觉反馈。同时，利用虚拟现实的技术，为患者设定不同的虚拟场景，促进患者训练的兴趣和积极性。所述重力补偿模块可以对上肢、下肢进行重力补偿，避免关节脱位等并发症的发生。所述体重支持模块可以利用绑带和皮绳托起受训者的身体，提供不同程度的减重支持，满足不同病情的患者需要。所述跑步训练机模块可以将跑步机运动和患者步态运动融为一体。所述传感器模块可以实时采集运动学、力学和肌电活动等信息。所述控制模块可以实现单侧被动、助动、主动和阻抗模式等不同模式的训练。另外，可以将健侧运动轨迹镜像至患侧，从而实现镜像运动康复。所述人- 机交互模块可以接收运动信息和发出运动指令，并可提供针对特定运动任务的游戏功能。所述驱动模块应用伺服电机实现对机器人系统的驱动。所述远程医疗系统进一步包括计算机、变焦摄像头、麦克风、音箱、4G无线网卡。
3.本发明解决其技术问题所采取的工作模式
基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统的工作模式如下：该系统通过所述脑卒中运动康复评价系统获取关于患者全身状态、神经功能障碍、心理状态、社会经济状态和神经功能结局预测等信息，从而为临床医生制定个体化康复方案提供基础。通过所述智能脑卒中运动康复机器人系统，可以实现用功能完好侧大脑半球替代功能受损侧大脑半球来支配瘫痪肢体，从而达到卒中后运动功能替代和康复的目的，其具体工作模式如下：通过所述运动想象模块，借助计算机屏幕信号提示，指导患者完成特定部位(如手、上肢或下肢)的运动想象相关特定任务(如保持静息状态、健肢运动、患肢运动想象、双侧肢体运动想象)。通过所述脑机接口模块采集患者脑电信号并进行分析，判断患者运动意图，并将分析结果转换为智能康复机器人指令。所述外骨骼模块按照控制指令，通过不同模式(被动、助动、主动、阻抗和镜像模式等)完成上肢多关节复合运动训练。通过所述表面肌电和功能性电刺激模块根据所记录的表面肌电信号触发功能性电刺激，从而诱发特定部位肌肉的收缩和辅助自主运动。通过所述传感器模块获取运动状态相关信息(如运动轨迹、范围、速度、力学等)，并以数字形式存储、分析和显示。通过所述视觉反馈模块将运动状态相关参数以可视化信息的方式反馈至患者大脑皮层，最终形成“人工运动过环路”。通过所述重力补偿模块可以对上肢、下肢进行重力补偿，避免关节脱位等并发症的发生。通过所述体重支持模块可以利用绑带和皮绳托起受训者的身体，提供不同程度的减重支持，满足不同病情的患者需要。通过所述跑步训练机模块可以将跑步机运动和患者步态运动融为一体。通过所述传感器模块可以实时采集运动学、力学和肌电活动等信息。通过所述控制模块可以实现单侧被动、助动、主动和阻抗模式等不同模式的训练，以及可以将健侧运动轨迹镜像至患侧，从而时间镜像运动康复。通过所述人-机交互模块可以接收运动信息和发出运动指令，并可提供针对特定运动任务的游戏功能。通过所述驱动模块应用伺服电机实现对机器人系统的驱动。通过所述远程医疗系统，初级中心的卒中康复人员可以将卒中患者的相关评价信息传输给高级中心的卒中康复专业医生。高级中心卒中康复专业医生通过评价患者的基线信息，制定个体化智能卒中机器人治疗方案，并反馈给初级中心康复人员，并由初级中心康复人员实施康复训练。同时，通过所述云平台信息管理系统和远程医疗系统，高级中心康复人员可以对初级中心康复机器人的康复过程进行实时监测和指导。
4.本发明有益的效果在于针对我国脑卒中康复医疗领域中的关键瓶颈问题，将脑-机接口和互联网技术与脑卒中后运动康复有机的融合起来，提供一套利用脑-机接口技术，实现用功能完好侧大脑半球替代功能受损侧大脑半球来支配瘫痪肢体的智能脑卒中康复机器人。同时，提供了一套可以实时进行远程康复监测和指导的移动设备和服务体系，从而实现跨地域、跨时间、跨机构的充分利用现有有限的优质康复医疗资源，最终达到有效提高卒中康复效果和效率，降低脑卒中相关致残率和疾病负担的目的。
四、附图说明
为更清楚的说明本申请文件实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它附图。
图1示出了本发明实施例提供的基于脑机接口和互联网智能脑卒中康复机器人的主要结构。
图2示出了本发明实施例提供的智能脑卒中康复机器人系统的主要工作原理。
图3示出了本发明实施例提供的智能脑卒中康复机器人系统的远程医疗模式。
五、具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统配备脑卒中运动康复评价系统1、智能脑卒中运动康复机器人系统2、远程医疗系统3、云平台信息管理系统4和电源系统5。所述脑卒中运动康复评价系统1、智能脑卒中运动康复机器人系统2、远程医疗系统3、云平台信息管理系统4 与电源系统5连接。所述脑卒中运动康复评价系统1、智能脑卒中运动康复机器人系统2和远程医疗系统3与云平台信息管理系统4连接。所述脑卒中运动康复评价系统1进一步包括患者全身状态评价系统1.1、神经功能障碍评价系统1.2、心理状态评价系统1.3、社会经济状态评价系统1.4和神经功能结局预测系统1.5。所述全身状态评价系统1.1进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者的年龄、性别、既往病史、生命体征、并发症和主要器官功能等。所述神经功能障碍评价系统1.2进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者意识水平、认知功能、运动功能、语言功能和共济功能等。所述心理状态评价系统1.3进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者焦虑状态、抑郁状态和性格特征等。所述社会经济状态评价系统1.4进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价患者的职业特征、受教育程度、经济条件、医保状况、兴趣爱好和家庭状况等。所述神经功能结局预测系统1.5进一步包括一系列标准化的电子表格和量表以评价和预测患者不同时间点(如 3个月、6个月和1年)死亡和残障发生概率。所述智能脑卒中运动康复机器人系统2进一步包括运动想象模块2.1、脑机接口模块2.2、外骨骼模块2.3、表面肌电和功能电刺激模块2.4、视觉反馈模块 2.5、重力补偿模块2.6、体重支持模块2.7、跑步训练机模块2.8、传感器模块2.9、控制模块2.10、人 -机交模块2.11、驱动模块2.12。所述运动想象模块2.1可以通过计算机屏幕信号提示，指导患者完成特定部位(如手、上肢或下肢)的运动想象相关特定任务(如保持静息状态、健肢运动、患肢运动想象、双侧肢体运动想象)。所述脑机接口模块2.2可以采集患者脑电信号并进行分析，判断患者运动意图，并将分析结果转为机器人指令，控制外骨骼模块，完成相应部位的训练动作。所述外骨骼模块2.3 进一步包括手外骨骼子模块2.3.1、上肢外骨骼子模块2.3.2、下肢外骨骼子模块2.3.3。所述手外骨骼子模块2.3.1可以辅助手掌部分关节，训练抓握功能和一些特定精细动作(如拇指对掌功能等)。所述上肢外骨骼子模块2.3.2可以辅助患肢肩、肘、腕关节进行多关节复合运动训练。所述下肢外骨骼子模块2.3.3可以辅助患肢髋、膝、踝关节进行多关节复合运动训练。所述表面肌电和功能电刺激模块 2.4可以根据表面肌电信号触发的功能性电刺激，可诱发肌肉运动和辅助自主运动。所述视觉反馈模块2.5可以将运动状态信息实时显示到电脑屏幕，为患者提供视觉反馈。同时，利用虚拟现实的技术，为患者设定不同的虚拟场景，促进患者训练的兴趣和积极性。所述重力补偿模块2.6可以对上肢、下肢进行重力补偿，避免关节脱位等并发症发生。所述体重支持模块2.7可以利用绑带和皮绳托起接受训练者的身体，提供不同程度的减重，满足不同病情的患者需要。所述跑步训练机模块2.8可以将跑步机运动和患者步态运动融为一体。所述传感器模块2.9可以实时采集运动学、力学和肌电活动等信息。所述控制模块2.10可以实现单侧被动、助动、主动和阻抗模式等不同的训练模式，以及可以将健侧运动轨迹镜像至患侧，实现镜像运动。所述人-机交模人机交互模块2.11可以接收运动信息和发出运动指令，并可提供针对特定运动训练任务的运动游戏功能。所述驱动模块2.12应用伺服电机实现对机器人系统的驱动。所述远程医疗系统3进一步包括计算机3.1、变焦摄像头3.2、麦克风3.3、音箱 3.4、4G无线网卡3.5(图1)。
下面结合附图2和3对本发明的工作原理做进一步描述。该系统通过所述脑卒中运动康复评价系统1 获取关于患者全身状态、神经功能障碍、心理状态、社会经济状态和神经功能结局预测等信息，从而为临床医生制定个体化康复方案提供基础。通过智能脑卒中运动康复机器人系统2，可以实现实现用功能完好侧大脑半球替代功能受损侧大脑半球支配瘫痪肢体，从而达到卒中后运动功能替代和/或康复的目的。具体工作原理如下：通过所述运动想象模块2.1训练脑卒中后运动功能障碍(手、上肢或下肢功能障碍)的患者通过运动想象执行特定任务(如抬举上肢等)。通过所述脑机接口模块2.2采集患者脑电信号并进行分析，判断患者运动意图，并将分析结果转换为智能康复机器人指令。所述外骨骼模块2.3按照控制指令，通过不同模式(被动、助动、主动、阻抗和镜像模式等)完成上肢多关节复合运动训练。通过所述表面肌电和功能性电刺激模块2.4获取表面肌电信号和触发功能性电刺激，使特定部位骨骼肌收缩协助肢体完成特定运动。通过所述传感器模块2.9获取运动状态相关信息(如运动轨迹、范围、速度、力学等)，并以数字形式存储、分析和显示。通过所述视觉反馈模块2.5，以可视化信息的方式，将运动状态相关参数反馈患者大脑皮层，形成“人工运动环路”(图2)。另外，通过所述重力补偿模块2.6可以对上肢、下肢进行重力补偿，避免关节脱位等并发症的发生。通过所述体重支持模块2.7可以利用绑带和皮绳托起受训者的身体，提供不同程度的减重支持，满足不同病情的患者需要。通过所述跑步训练机模块2.8可以将跑步机运动和患者步态运动融为一体。通过所述控制模块2.10可以实现单侧被动、助动、主动和阻抗模式等不同模式的训练，以及可以将健侧运动轨迹镜像至患侧，从而时间镜像运动康复。通过所述人-机交互模块2.11可以接收运动信息和发出运动指令，并可提供针对特定运动任务的游戏功能。通过所述驱动模块2.12应用伺服电机实现对机器人系统的驱动。通过所述远程医疗系统3，初级中心的卒中康复人员可以将卒中患者的相关评价信息传输给高级中心的卒中康复专业医生。高级中心卒中康复专业医生通过评价患者的基线信息，制定个体化智能卒中机器人治疗方案，并反馈给初级中心康复人员，并由初级中心康复人员实施康复训练。同时，通过所述云平台信息管理系统4和远程医疗系统3，高级中心康复人员可以对初级中心康复机器人的康复过程进行实时监测和指导(图3)。

Claims (5)

1.基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统配备脑卒中运动康复评价系统、智能脑卒中运动康复机器人系统、远程医疗系统、云平台信息管理系统和电源系统；所述脑卒中运动康复评价系统、智能脑卒中运动康复机器人系统、远程医疗系统、云平台信息管理系统与电源系统连接；所述脑卒中运动康复评价系统、智能脑卒中运动康复机器人系统和远程医疗系统与云平台信息管理系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统，其特征在于，所述脑卒中运动康复评价系统进一步包括患者全身状态评价系统、神经功能障碍评价系统、心理状态评价系统、社会经济状态评价系统和神经功能结局预测系统。
3.根据权利要求1所述的基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统，其特征在于，所述智能脑卒中运动康复机器人系统进一步包括运动想象模块、脑机接口模块、外骨骼模块、表面肌电和功能电刺激模块、视觉反馈模块、重力补偿模块、体重支持模块、跑步训练机模块、传感器模块、控制模块、人-机交模块、驱动模块。
4.根据权利要求3所述的基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统，其特征在于，所述外骨骼模块进一步包括手外骨骼、上肢外骨骼和下肢外骨骼。
5.根据权利要求1所述的基于脑-机接口和互联网技术的智能脑卒中康复机器人系统，其特征在于，所述远程医疗系统进一步包括计算机、变焦摄像头、麦克风、音箱、4G无线网卡。
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