CN110136800A - 一种结合经颅电流刺激的主动康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，包括：脑电采集模块、经颅电流刺激模块、电极模块、患肢反馈模块和中控分析模块。本发明综合脑‑机接口技术、经颅电流刺激技术和运动想象疗法原理，基于脑电数据分析评估偏瘫患者的运动想象意图，据此给予患者相应的反馈。同时，利用经颅电流刺激，在运动想象之前进行目标脑区的刺激，完成健侧脑功能区的干预或患侧脑功能区的活化；且在患肢反馈过程中给予患侧脑区相应的正极刺激。该系统方法能有效提高患者运动想象的准确性，以及反馈效果的有效性；从而实现大脑功能的调控与重建，促进受损运动传导通路的修复或重建，达到运动康复的治疗效果。

Description

一种结合经颅电流刺激的主动康复训练系统

技术领域

本发明涉及神经康复技术领域，特别是一种用于脑卒中后偏瘫患者康复治疗的结合经颅电流刺激（tCS，transcranial current stimulation）的主动康复训练系统。

背景技术

脑卒中是由于脑部缺血或出血性损伤而引起脑功能缺失的一种疾病。据世界卫生组织报道，超过48%的脑卒中患者在进入慢性期后仍然存在上肢功能障碍，而步行和下肢功能障碍比例高达80%，这给患者及其家庭的日常生活造成了很大影响。

目前对于偏瘫患者的康复治疗主要采用按摩、针灸、电刺激、治疗师辅助患者运动，以及康复机器人辅助运动的方法。康复机器人技术在一定程度上提高了患者康复治疗的趣味性，但针对肌力为零的患者仍只能以被动运动康复为主，且缺乏大脑运动神经系统的直接参与，因此其治疗效果和普适性均有待提高。

运动想象（MI，motor imagery）通过患者主动想象患侧肢体的运动，能有效促进大脑神经重塑，重建受损大脑的皮质，改善外部肢体和大脑之间的功能控制连接 ,从而达到良好的康复效果。该治疗方法为患者实现主动康复训练提供了理论基础。西安交通大学的“一种智能化脑损伤患者手功能康复训练设备”（专利号ZL2011110003707.04）、新加坡科技研究局的“脑机接口系统及方法”（专利号ZL201080066939.8）和上海大学的“结合稳态视觉诱发电位及运动想象的三阶段脑控上肢康复方法”（申请公布号CN 108597584 A）等专利文献均基于此方法进行了主动康复训练方法与系统设备的研究。然而个体差异性和患者本身的损伤状态导致有些患者在进行运动想象时，事件相关去同步化（ERD，event-relateddcsynchronizafion）和/或事件相关同步化（ERS，event-related synchronization）现象不明显。从而源头信号上的不显著导致了运动想象脑机接口（MI-BCI，motor imagery-brain computer interface）的正确率不高，降低了控制的准确性。另一方面，反馈效果的有效性一直是制约这些方法和系统走向临床的关键因素。

经颅电流刺激（tCS）是一种神经生理学技术，其通过有限的时间内的电场作用，来调节中枢和外周神经系统神经元组织的兴奋性。这种电场是由微弱的电流通过头皮进入大脑而产生的。tCS是一种非侵入式的颅外刺激技术，主要包括经颅直流电刺激（tDCS，transcranial direct current stimulation）、经颅交流电刺激（tACS，transcranialalternating current stimulation）近年来的研究已经证明，在专业医疗人员的控制之下，在已知的强度、密度和持续时间范围内使用该技术是安全且有益的。天津大学的“提高脑-机接口中运动想象能力的经颅电刺激装置和方法（申请公布号CN 106502410 A）”和深圳先进技术研究院的“一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法（申请公布号CN106095086 A）”分别提供了采用tACS和tDCS提高BCI中MI能力的方法，为提高MI-BCI系统的控制准确性提供了有益参考。但上述方法在刺激类型和刺激脑区上具有局限性；且上述方法未在康复训练中解决反馈效果有效性的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，综合脑-机接口技术、经颅电流刺激技术和运动想象疗法原理，基于脑电数据分析评估偏瘫患者的运动想象意图，据此给予患者相应的反馈。同时，利用经颅电流刺激，在运动想象之前对患者目标脑区进行刺激；且在运动想象之后根据反馈结果在特定脑区给予相应的刺激强化。该系统能有效提高患者运动想象的准确性，以及反馈效果的有效强化；从而实现大脑功能的调控与重建，促进受损运动传导路的修复或重建，达到运动康复的治疗效果。

本发明通过如下技术方案实现。

一种结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，包括

脑电采集模块，用于采集患者的脑电信号信息；

经颅电流刺激模块，用于对患者的目标脑区提供直流电刺激；

电极模块，用于建立脑电采集模块和经颅直流电刺激模块与目标脑区的连接通路；

患肢反馈模块，用于对患肢提供功能性电刺激和/或辅助运动的反馈；和

中控分析模块，用于引导患者进行运动想象，定义电极位置和工作模式、处理分析脑电数据，并控制经颅电流刺激模块的刺激输出和患肢反馈模块的反馈输出。

优选地，所述脑电采集模块具有直流耦合式前端的轻量化、便携式设计，并以磁吸接口模式固定于脑电帽后部；其通过Wi-Fi无线网络，将采集到的脑电信号传输至中控分析模块。

优选地，所述经颅电流刺激模块与所述脑电采集模块可为一体化或分体式实现形式，固定于脑电帽后部；其通过无线网络，接收中控分析模块的刺激命令和参数，并通过所述电极输出至相应脑部区域。

优选地，所述电极模块的电极可按需放置于《美国临床脑电图学指南（5）标准电极位置命名指南》中10-10系统的任意位置；所述电极可通过所述中控分析模块设置为“记录”、“刺激-正极”、“刺激-负极”或“返回”四种工作模式。

优选地，所述患肢反馈模块具体实现型式可为功能性电刺激器、康复机器人等设备；所述患肢反馈模块与所述中控分析模块进行无线通讯；所述的患肢反馈模块接收到所述中控分析模块的命令后，进行相应的刺激或辅助运动。

优选地，所述脑电采集模块、所述经颅电流刺激模块、所述患肢反馈模块均进行便携可穿戴式设计。

优选地，所述中控分析模块包括运动想象引导模块、脑电分析处理模块、经颅直流电刺激控制模块和患肢反馈控制模块。

优选地，所述运动想象引导模块能够依据不同的动作序列通过语音提示的方式引导患者进行运动想象。

优选地，所述的脑电分析处理模块完成运动想象脑电数据的分析与识别，包含如下步骤：

步骤一：接收所述脑电采集模块的脑电数据，识别其中运动想象过程的数据；

步骤二：学习训练过程中，依据所述运动想象引导模块的所述动作序列与对应序列的各通道的运动想象脑电数据进行特征提取，进行分类器的训练，并形成特定分类器。

步骤三：反馈训练过程中，基于所述的特定分类器对患者的运动想象脑电数据进行分类识别，确定患者运动想象的类别，并将识别结果与所述动作序列进行比对，判断患者运动想象的正误。

优选地，所述的经颅电流刺激控制模块通过无线传输向经颅电流刺激模块发送刺激命令；所述的患肢反馈控制模块以无线传输型式向患肢反馈模块发送控制命令。

优选地，所述的经颅电流刺激控制模块能够对刺激模式进行设置，所述的设置内容包括选定刺激电极、设置电极工作模式、刺激类型和刺激参数；所述刺激类型包括直流刺激、交流刺激和随机噪声刺激；所述刺激参数包括电流值、频率和持续时间。

优选地，所述刺激模式在上述不同设置的情况下，能够实现单通道直流正极刺激、单通道交流负极刺激、多通道直流正极刺激等多种模式；能够作用于10-10系统所覆盖的任意脑区。

优选地，所述中控分析模块的经颅电流刺激控制模块用于选定患者患侧对应脑区按正极刺激模式或选定患者健侧对应脑区按负极刺激模式，向经颅电流刺激模块发送控制命令，启动经颅电流刺激；

所述脑电采集模块用于在电流刺激停止后进行患者脑电数据采集；

所述中控分析模块的运动想象引导模块用于指导患者进行运动想象的学习训练；

所述脑电分析处理模块用于在所述学习训练的同时依据引导模块的动作序列与对应序列的各通道的运动想象脑电数据进行特征提取，进行分类器的训练，并形成特定分类器。

优选地，所述中控分析模块的运动想象引导模块还用于指导患者进行运动想象的反馈训练；

在所述反馈训练的同时，所述脑电分析处理模块基于所述特定分类器对患者的运动想象数据进行分类识别，确定患者运动想象的类别，并将识别结果与所述动作序列进行比对，得出患者运动想象正误结果。

优选地，若所述中控分析模块得出的结果为患者运动想象正确，则所述中控分析模块的患肢反馈控制模块能够启动患肢反馈模块的反馈；同时，所述中控分析模块的经颅电流刺激控制模块能够启动患者患侧对应脑区的正极经颅电流刺激进行激励。

优选地，若所述中控分析模块得出的结果为患者运动想象错误，则中控分析模块的运动想象引导模块提示患者想象错误。

优选地，所述中控分析模块还用于判断训练是否完毕；若所述中控分析模块判断训练未完毕，则继续进行患者主动康复训练；若判断训练已完毕，则整个训练结束。

通过以上技术方案，本发明能够取得如下技术效果。

（1）结合经颅电流刺激技术，在患者进行主动运动想象康复训练之前进行健侧抑制和/或患侧激励，完成健侧脑功能区的干预和患侧脑功能区的活化，有助于提高患者进行患侧运动想象的实现度，并提高运动想象脑-机接口识别的准确率。

（2）结合经颅直流电刺激、功能性电刺激和康复机器人等技术方法在患者进行主动运动想象康复训练之后在患侧脑功能区与患肢端同步进行正向反馈激励，有助于增强反馈的有效性。进一步打通中枢系统与外周效应器的传导通路，从而实现大脑功能的调控与重建，促进受损运动传导路的修复或重建，达到运动康复的治疗效果。

（3）中控分析模块与脑电采集模块、经颅电流刺激模块、患肢反馈模块均采用Wi-Fi或蓝牙的无线通讯模式，各模块进行便携式可穿戴式设计，可减少系统对患者的负累，提高系统的实用性和使用的便捷性。

附图说明

图1 是本发明的结合经颅直流电刺激的主动康复训练系统的结构框图。

图2 是图1中的经颅电刺激模块可实现的刺激模式示意图。

图3 是使用本发明的系统的训练方法流程示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种结合经颅直流电刺激的主动康复训练系统，包括脑电采集模块、经颅直流电刺激模块、电极模块、患肢反馈模块和中控分析模块。

在一优选的实施方式中，所述脑电采集模块主体为无线脑电放大器，用于采集患者头部的脑电信号。无线脑电放大器可实现64通道数据采集，轻量化、便携式设计，并可以磁吸接口模式固定于脑电帽后部。无线脑电放大器能够对采集的脑电数据进行直流耦合放大、模数转换、数字滤波等处理，并通过Wi-Fi无线网络，将采集到的脑电信号传输至中控分析模块。

在一优选的实施方式中，所述经颅电流刺激模块主体为直流电刺激器，用于输出电刺激。本图例中电流刺激器与脑电放大器分为两部分，其实际实现形式可为一体化或分体式，同固定于脑电帽后部；其通过Wi-Fi或蓝牙的无线网络，接收中控分析模块的刺激命令和参数，并通过所述电极输出至相应脑部区域。经颅电流刺激器在正常工作时，可提供不大于2mA的刺激电流。

在一优选的实施方式中，所述电极模块的实际样例为符合《美国临床脑电图学指南（5）标准电极位置命名指南》中10-10系统的位置分布的满足64通道的电极阵列，使用时以脑电帽的型式固定于患者头部。电极类型可以是湿电极，也可以为干电极。

在一优选的实施方式中，所述电极模块的电极既可以用于脑电采集，也可用于电刺激；具体电极功能可在中控分析模块中进行设置，所设置的电极工作模式包括“记录”、“刺激-正极”、“刺激-负极”或“返回”四种。

当电极设置为“记录”模式时，其连通于无线脑电放大器，用于采集脑电信号。

当电极设置为“刺激-正极”、“刺激-负极”或“返回”模式时，其连通于经颅直流电刺激器，用于经颅直流电刺激的输出。

如图2所示，根据不同的设置情况，经颅电刺激模块可实现多种刺激模式样例。以“单通道直流正极刺激”为例，选定位于目标脑区的一个电极，设置其工作模式为“刺激-正极”，并选定其周边的两个电极，并设置其工作模式为“返回”；其刺激类型设置为“直流”，并确保其刺激参数的电流值不大于2mA，持续时间在10~20min之内，频率设置为0Hz。

正极刺激模式常作用于患侧肢体对应头部皮质区，进行激励刺激。

负极刺激模式常作用于健侧肢体对应头部皮质区，进行抑制刺激；也可采用含正极和负极电极的双侧刺激模式，分别作用于患侧和健侧肢体对应头部皮质区，进行双重刺激。

在一优选的实施方式中，所述患肢反馈模块为佩戴在患肢部位，或效应端在患肢部位的设备。具体实现型式可为功能性电刺激器、康复机器人等设备。患肢反馈模块以Wi-Fi或蓝牙的无线传输型式与中控分析模块通讯；患肢反馈模块接收到中控分析模块的命令后，进行相应的刺激或辅助运动。

以功能性电刺激器为例，中控分析模块判断患者运动想象正确，需激活患者反馈模块的效应时，会通过通讯接口向功能性电刺激器发送控制命令和运动参数（包括但不限于刺激电流强度、刺激方式、频率、持续时间等）。功能性电刺激器在完成指令所要求的动作后会将“已完成运动”的状态反馈与中控分析模块，便于开启下一次的反馈动作。

在一优选的实施方式中，所述中控分析模块通过运行有特定软件的计算机实现，包括运动想象引导模块、脑电分析处理模块、经颅电流刺激控制模块和患肢反馈控制模块。

运动想象引导模块能够提供与患者进行直接交互的界面，依据不同的动作序列通过语音提示的方式引导患者进行运动想象。

在一优选的实施方式中，所述运动想象引导模块包含患者数据库，能够对患者临床基本信息、患者脑电数据、训练信息进行记录和存储。同时，所述运动想象引导模块还能够对动作序列进行设置，包括动作类型、出现频率、出现类型（随机、交替或自定义类型）等。

脑电分析处理模块用于完成运动想象脑电数据的分析与识别，其分析与识别的过程包含如下步骤。

步骤一：接收所述脑电采集模块的脑电数据，识别其中运动想象过程的数据。

步骤二：学习训练过程中，依据所述引导模块的动作序列与对应序列的各通道的运动想象脑电数据进行特征提取，进行分类器的训练，并形成特定分类器。

步骤三：康复训练过程中，基于特定分类器对患者的运动想象脑电数据进行分类识别，确定患者运动想象的类别，并将识别结果与所述动作序列进行比对，判断患者运动想象的正误。

如图3所示，本发明还提供了一种结合经颅直流电刺激的主动康复训练方法，包括如下步骤：

步骤一、中控分析模块的经颅电流刺激控制模块选定患者患侧对应脑区按正极刺激模式或选定患者健侧对应脑区按负极刺激模式，向经颅直流电刺激模块发送控制命令，启动经颅电流刺激10分钟，电流强度不大于2mA。

步骤二、电流刺激停止后，启动脑电采集模块进行患者脑电数据采集。

步骤三、中控分析模块的运动想象引导模块指导患者进行运动想象的学习训练。

步骤四、步骤三的同时，脑电分析处理模块依据运动想象引导模块的动作序列与对应序列的各通道的运动想象脑电数据进行特征提取，进行分类器的训练，并形成特定分类器。

步骤五、中控分析模块的运动想象引导模块指导患者进行运动想象的反馈训练。

步骤六、步骤五的同时，脑电分析处理模块基于步骤四所得的特定分类器对患者的运动想象数据进行分类识别，确定患者运动想象的类别，并将识别结果与所述动作序列进行比对，得出患者运动想象正误结果。

步骤七一、若患者运动想象正确，中控分析模块的患肢反馈控制模块启动患肢反馈模块的反馈；同时，中控分析模块的经颅电流刺激控制模块启动患者患侧对应脑区的正极经颅电流刺激进行激励；

步骤七二、若患者运动想象错误，则中控分析模块的运动想象引导模块提示患者想象错误。

步骤八、步骤七一或步骤七二完成后，中控分析模块判断训练是否完毕；若未完毕，则继续重复步骤三至步骤七一或步骤七二，进行患者主动康复训练；若已完毕，则整个训练结束。

Claims (10)

1.一种结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，包括：

脑电采集模块，用于采集患者的脑电信号信息；

经颅电流刺激模块，用于对患者的目标脑区提供直流电刺激；

电极模块，用于建立脑电采集模块和经颅直流电刺激模块与目标脑区的连接通路；

患肢反馈模块，用于对患肢提供功能性电刺激和/或辅助运动的反馈；和

中控分析模块，用于引导患者进行运动想象，定义电极位置和工作模式、处理分析脑电数据，并控制经颅电流刺激模块的刺激输出和患肢反馈模块的反馈输出。

2.根据权利要求1所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述中控分析模块能够设置所述电极模块的电极的工作模式，所述电极的工作模式包括“记录”、“刺激-正极”、“刺激-负极”，以及“返回”。

3.根据权利要求1所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述中控分析模块包括：运动想象引导模块、脑电分析处理模块、经颅直流电刺激控制模块和患肢反馈控制模块。

4.根据权利要求3所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述经颅直流电刺激控制模块能够对刺激模式进行设置，所述设置的内容包括选定刺激电极、设置电极工作模式、刺激类型和刺激参数；

所述刺激类型包括直流刺激、交流刺激和随机噪声刺激；

所述刺激参数包括电流值、频率、持续时间；

所述刺激模式在上述不同设置的情况下，能够实现单通道直流正极刺激、单通道交流负极刺激、多通道直流正极刺激的多种模式；还能够作用于10-10系统所覆盖的任意脑区。

5.根据权利要求1所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述脑电采集模块、所述经颅直流电刺激模块、所述患肢反馈模块均进行便携可穿戴式设计。

6.根据权利要求1所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述中控分析模块的经颅电流刺激控制模块用于选定患者患侧对应脑区按正极刺激模式或选定患者健侧对应脑区按负极刺激模式，向经颅电流刺激模块发送控制命令，启动经颅电流刺激；

所述脑电采集模块用于在电流刺激停止后进行患者脑电数据采集；

所述中控分析模块的运动想象引导模块用于指导患者进行运动想象的学习训练；

所述脑电分析处理模块用于在所述学习训练的同时依据引导模块的动作序列与对应序列的各通道的运动想象脑电数据进行特征提取，进行分类器的训练，并形成特定分类器。

7.根据权利要求6所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述中控分析模块的运动想象引导模块还用于指导患者进行运动想象的反馈训练；

在所述反馈训练的同时，所述脑电分析处理模块基于所述特定分类器对患者的运动想象数据进行分类识别，确定患者运动想象的类别，并将识别结果与所述动作序列进行比对，得出患者运动想象正误结果。

8.根据权利要求7所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，若所述中控分析模块得出的结果为患者运动想象正确，则所述中控分析模块的患肢反馈控制模块能够启动患肢反馈模块的反馈；同时，所述中控分析模块的经颅电流刺激控制模块能够启动患者患侧对应脑区的正极经颅电流刺激进行激励。

9.根据权利要求7所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，若所述中控分析模块得出的结果为患者运动想象错误，则中控分析模块的运动想象引导模块提示患者想象错误。

10.根据权利要求8或9所述的结合经颅电流刺激的主动康复训练系统，其特征在于，所述中控分析模块还用于判断训练是否完毕；若所述中控分析模块判断训练未完毕，则继续进行患者主动康复训练；若判断训练已完毕，则整个训练结束。