CN112206124B - 神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

提供一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法。该系统包括：近红外神经环路信息采集模块，用于采集相应脑区的近红外脑血氧信号；分析控制模块，接收和分析近红外脑血氧信号和各个位移或角度传感器信号，以形成神经环路导向和脑肢协同康复控制策略；上肢外骨骼模块，佩戴至使用者的腰部、肩部、上肢和手部；显示模块，用于在所述上肢功能康复训练系统使用过程中搭建虚拟现实环境，实现与使用者的拟实环境交互和视觉反馈。该系统以近红外脑血氧信号参数监测、上肢外骨骼多自由度运动参数监测为基础，融合近红外脑血氧信号参数、上肢多自由度运动参数数据信息，实现上肢运动能力的综合评估，提供多种训练模式，满足多样训练需求。

Description

神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法

技术领域

本发明涉及一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法，用于上肢运动能力评价和康复训练。

背景技术

上肢运动障碍的中枢病因多为脑卒中和脑外伤，病理过程主要涉及皮层或皮质脊髓束的完全或不完全损伤破坏，阻断或干扰感觉运动神经传导通路的功能，导致肢体运动障碍，尤以单侧肢体运动障碍症状最为常见。神经环路是脑内不同性质和功能的神经元通过各种形式的复杂连接。上肢运动功能障碍对应的康复训练手段和设备需要基于大脑网络特性，通过脑肢协同训练促进神经环路重建、功能网络重组和运动能力提升。

但是目前的上肢运动功能康复领域缺乏交互与反馈、评估训练一体化的评估和训练系统；现有上肢外骨骼设备和产品往往不能适应使用者的不同身材尺寸要求，外骨骼的控制方式缺乏神经环路导向和脑肢协同康复策略，康复效率低下。

发明内容

基于上述问题和技术手段，本发明的目的是提供一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法。该上肢功能康复训练系统能够融合近红外脑血氧信号参数、上肢多自由度运动参数，实现上肢运动能力综合评估；能够以神经环路为导向，以外骨骼形式驱动和调整主动、被动、阻尼、镜像等多种训练模式，提高上肢康复效率。

本发明的一方面提供一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统，包括近红外神经环路信息采集模块、上肢外骨骼模块、分析控制模块和显示模块，其特征在于：所述近红外神经环路信息采集模块用于采集相应脑区的近红外脑血氧信号，并将采集到的近红外脑血氧信号传输至所述分析控制模块；所述分析控制模块用于接收和分析从所述近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号以及接收来自所述上肢外骨骼模块上的各个位移或角度传感器的信号，以形成神经环路导向和脑肢协同康复控制策略；所述上肢外骨骼模块用于佩戴至使用者的腰部、肩部、上肢和手部，并且根据所述分析控制模块形成的康复控制策略辅助上肢完成肩关节前屈后伸和内收外展运动训练、肘关节屈伸运动训练、腕关节屈伸运动训练和手部抓握伸展运动训练；并且所述显示模块用于在所述上肢功能康复训练系统使用过程中搭建虚拟现实环境，实现与使用者的拟实环境交互和视觉反馈。

在一个有利的示例中，所述上肢外骨骼模块包括：柔性软体手套，用于佩戴至使用者的手部上；手腕关节连接块，该手腕关节连接块用于将腕关节柔性驱动装置连接到所述柔性软体手套以驱动所述柔性软体手套；小臂总成，该小臂总成的一端通过所述腕关节柔性驱动装置连接到所述手腕关节连接块；大臂总成，该大臂总成的一端通过肘关节柔性驱动装置连接到所述小臂总成的另一端，所述肘关节柔性驱动装置用于驱动所述小臂总成；肩关节连接块，该肩关节连接块的一端通过第一肩关节柔性驱动装置连接到所述大臂总成的另一端，所述第一肩关节柔性驱动装置用于驱动所述大臂总成；肩部总成，所述肩关节连接块的另一端通过第二肩关节柔性驱动装置连接到该肩部总成，所述第二肩关节柔性驱动装置用于驱动所述肩部总成；以及腰肩固定总成，该腰肩固定总成用于将所述肩部总成固定在使用者肩部并将所述上肢外骨骼模块的质量分布至腰部。

在一个有利的示例中，所述柔性软体手套由柔软材料制造，与每个手指对应的手指套通过拉线连接到拉线总成，拉线总成位于所述肩部总成上并且借助于拉线控制该柔性软体手套的抓握和伸展动作。

进一步地，所述拉线总成包括拇指拉线总成和余指拉线总成，分别用于控制拇指和余指的动作，其中所述拇指拉线总成包括拇指拉线电机和拇指拉线齿轮轴，由所述拇指拉线电机驱动所述拉线齿轮轴转动并且所述拉线齿轮轴与所述拇指拉线电机的转动反向，拇指内部拉线和拇指背部拉线分别固定于所述拇指拉线电机和所述拇指拉线齿轮轴，实现驱动拇指内收和外展动作的功能；其中所述余指拉线总成包括余指拉线电机和余指拉线齿轮轴，由所述余指拉线电机驱动所述余指拉线齿轮轴转动并且所述余指拉线齿轮轴与所述余指拉线电机的转动反向，余指内部拉线和余指背部拉线分别固定于所述余指拉线电机和所述余指拉线齿轮轴，实现驱动余指内收和外展动作的功能。

在一个有利的示例中，所述小臂总成包括：小臂前板，该小臂前板的前端用于装配所述腕关节柔性驱动装置；小臂后板；该小臂后板的后端用于连接所述肘关节柔性驱动装置；以及小臂连接杆，该小臂连接杆用于连接所述小臂前板和所述小臂后板，并且通过该小臂连接杆能够调节所述小臂前板和所述小臂后板之间的相对位置以及调节该小臂总成在使用者的小臂的轴向上的位置。

进一步地，所述小臂总成还包括小臂固定块，所述小臂连接杆的一端螺纹连接到所述小臂后板的前端，所述小臂连接杆的另一端穿过位于所述小臂前板上的小臂直线轴承连接到所述小臂固定块，所述小臂固定块能够在所述小臂前板的槽中滑动并且由小臂定位螺钉在所述小臂前板的槽中固定就位。

在一个有利的示例中，所述大臂总成包括：大臂前板，该大臂前板的前端用于装配所述肘关节柔性驱动装置；大臂后板；该大臂后板的后端用于连接所述第一肩关节柔性驱动装置；以及大臂连接杆，该大臂连接杆用于连接所述大臂前板和所述大臂后板，并且通过该大臂连接杆能够调节所述大臂前板和所述大臂后板之间的相对位置以及调节该大臂总成在使用者的大臂的轴向上的位置。

进一步地，所述大臂总成还包括大臂固定块，所述大臂连接杆的一端螺纹连接到所述大臂后板的前端，所述大臂连接杆的另一端穿过位于所述大臂前板上的大臂直线轴承连接到所述大臂固定块，所述大臂固定块能够在所述大臂前板的槽中滑动并且由大臂定位螺钉在所述大臂前板的槽中固定就位。

在一个有利的示例中，所述分析控制模块位于所述肩部总成上并且包括：无线传输单元，该无线传输单元用于接受所述近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号和来自所述上肢外骨骼模块上的各个位移或角度传感器的信号，并将所述近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各个位移或角度传感器的信号传输至分析控制单元和所述显示模块；所述分析控制单元，该分析控制单元用于分析所述近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各个位移或角度传感器的信号，控制所述上肢外骨骼模块完成一系列康复动作训练，并将这些数据存储至存储单元中；以及所述存储单元，该存储单元用于存储监测采集的近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各个位移或角度传感器的信号。

在一个有利的示例中，所述腕关节柔性驱动装置、所述肘关节柔性驱动装置、所述第一肩关节柔性驱动装置和所述第二肩关节柔性驱动装置均由驱动电机和弹性元件组成，所述驱动电机的输出轴与所述弹性元件相连，所述弹性元件的输出轴即为这些柔性关节驱动装置的输出轴。

本发明的第二方面提供一种神经环路导向的上肢功能康复训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

由分析控制模块根据在使用者的极限位置动作下用于驱动柔性软体手套的腕关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动小臂总成的肘关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动大臂总成的第一肩关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动肩部总成的第二肩关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、手腕三维角度传感器、小臂三维角度传感器、第一大臂三维角度传感器和第二大臂三维角度传感器的角度信息，对各个驱动电机的输出轴旋转角度和用于连接柔性软体手套和小臂总成的手腕关节连接块、所述小臂总成、大臂总成、用于连接所述大臂总成和肩部总成的肩关节连接块的旋转角度进行标定；

由近红外神经环路信息采集模块提供关于使用者脑部的每一通道在一段时间内的近红外脑血氧信号用于确定基线；以及

根据合适的训练模式能够进行在线训练或离线训练，其中在在线训练过程中，能够将训练过程显示在显示模块上，并且其中在在线和离线训练过程中，能够将训练过程中所采集的近红外脑血氧信号和各个传感器的数据信号存储至存储单元中，以在训练结束之后进行读取评估。

在一种有利的方式中，所述训练模式主要包括以下模式：

主动训练模式，在该模式下，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务；

被动训练模式，在该模式下，由分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置，以带动使用者上肢完成虚拟场景中的训练任务；

助动训练模式，在该模式下，根据所要完成任务要求的上肢运动位置和实际上肢运动位置差反馈信息，分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动为上肢运动提供辅助动力，帮助完成训练任务；

阻尼训练模式，在该模式下，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务，分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置为上肢运动提供分级的运动阻力，以锻炼使用者的上肢运动能力；

虚拟镜像训练模式，在该模式下，在显示模块的3D虚拟现实场景中显示虚拟的对侧肢体运动图像，由分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置，以帮助使用者上肢完成相应的被动、助动、主动、阻尼训练；

实际镜像训练模式，在该模式下，使用者需要佩戴双侧对称的上肢外骨骼模块，其中，主动上肢外骨骼模块为佩戴至健侧的上肢外骨骼模块，被动上肢外骨骼模块为佩戴至患侧的上肢外骨骼模块，在完成双侧对称的主动上肢外骨骼模块和被动上肢外骨骼模块的标定步骤和静息步骤之后，将主动上肢外骨骼模块的各个传感器的数据信号传输至被动上肢外骨骼模块，由被动上肢外骨骼模块的分析控制模块控制该被动上肢外骨骼模块的拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置带动使用者患侧上肢完成与健侧上肢对称的训练任务；

治疗师带动训练模式，在该模式下，治疗师需要佩戴主动上肢外骨骼模块，使用者需要佩戴被动上肢外骨骼模块，在完成主动上肢外骨骼模块和被动上肢外骨骼模块的标定步骤和静息步骤之后，将主动上肢外骨骼模块的各个传感器数据信号实时地传输至被动上肢外骨骼模块，由被动上肢外骨骼模块的分析控制模块控制该被动上肢外骨骼模块的拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动主装置，以带动使用者患侧上肢完成与治疗师上肢相同的训练任务。

根据一个有利方式，根据以下步骤来实现神经环路导向功能：

由分析控制模块截取静息状态下的使用者脑部的每一通道在一段时间内的近红外脑血氧信号的数据取均值，作为各通道近红外脑血氧信号基线值；

根据训练模式和训练任务，将获取的各个通道的近红外脑血氧信号减去各个通道的基线值，再进行滤波，得到滤波后的各通道近红外脑血氧信号；

计算滤波后的各个通道的近红外脑血氧信号的时间序列均值，得到每一个通道的活跃程度AD；

计算每两两通道的近红外脑血氧信号的皮尔逊相关系数PCCs，得到功能连接指标；

根据侧偏性指标计算规则，计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs，其中侧偏性系数LAD表示同侧脑区和对侧脑区之间的激活程度，并且其中皮尔逊相关系数PCCs表示脑区同侧和对侧的连接程度；

在在线训练模式下，根据所计算的活跃程度AD和皮尔逊相关系数PCCs实时显示使用者的脑激活图和脑功能连接图，显示基于活跃程度的所述侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数的侧偏性系数LPCCs，并呈现健康使用者在执行训练任务时的平均脑激活图、平均脑功能连接图、基于活跃程度的平均侧偏性系数和基于皮尔逊相关系数的平均侧偏性系数，以向使用者提供实时视觉反馈和训练效果参考；

在在线训练模式和离线训练模式下，若所述脑激活图、所述脑功能连接图、基于活跃程度的所述侧偏性系数和基于皮尔逊相关系数的所述侧偏性系数偏离相差超过一定阈值，则分析控制模块控制由拇指拉线总成、余指拉线总成和四个柔性关节驱动装置提供的助力或阻力，用于促使使用者完成训练任务。

进一步地，根据以下公式计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD：

，

其中，AD_同侧为同侧脑区所有通道的平均激活程度，AD_对侧为对侧脑区所有通道的平均激活程度；LAD值为1代表完全的同侧激活，-1代表完全的对侧激活，接近0的LAD值代表较为平衡的激活模式

并且根据以下公式计算基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs，

，

其中，C_同侧为同侧脑区存在功能连接的体素数量，T_同侧为同侧脑区总体素数量，C_对侧为对侧脑区存在功能连接的体素数量，T_对侧为对侧脑区总体素数量；LPCCs值范围同样介于1到-1之间，其中-1代表仅存在对侧连接，1代表仅存在同侧连接，接近0的值表示对称连接。

本发明还提供一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统，包括：近红外神经环路信息采集模块、上肢外骨骼模块、分析控制模块和显示模块。

所述近红外神经环路信息采集模块，用于建立使用者与近红外神经环路信息采集设备的连接，根据特定的近红外通道布置采集相应脑区的近红外脑血氧信号，并将采集到的近红外脑血氧信号传输至位于所述上肢外骨骼模块的分析控制模块的分析控制单元；

所述上肢外骨骼模块，用于佩戴至使用者的腰部、上肢和手部，辅助上肢完成肩关节前屈后伸和内收外展运动训练、肘关节屈伸运动训练、腕关节屈伸运动训练和手部抓握伸展运动训练。分析控制模块接收和分析所述近红外神经环路信息采集模块传输的所述近红外脑血氧信号，形成神经环路导向和脑肢协同康复控制策略，提供主动、被动、阻尼、镜像等多种训练模式；

所述显示模块，用于在所述上肢功能康复训练系统使用过程中搭建半沉浸式虚拟现实环境，实现与使用者的拟实环境交互和视觉反馈，提高使用者的沉浸体验，并提供视觉镜像训练模式。

进一步地，所述近红外神经环路信息采集模块包括功能性近红外脑氧采集设备和通道排布模板，所述近红外脑氧采集设备用于产生和探测穿过脑皮层组织的近红外光，所述通道排布模板用于设定具体需要探测的脑功能区皮层位置。

进一步地，所述上肢外骨骼模块包括柔性软体手套（柔性软体手套）、手腕关节连接块、小臂总成、大臂总成、肩关节连接块、肩部总成、腰肩固定总成和四个柔性关节驱动（腕关节柔性驱动、肘关节柔性驱动、第一肩关节柔性驱动和第二肩关节柔性驱动）。

所述柔性软体手套由软体材料制造，每个手指对应手套的内部和背部留有拉线孔，每个手指端部为半球形指套，所述半球形指套的内部和外部留有拉线固定孔，由拉线形式控制软体手套的抓握和伸展动作；

可选地，所述控制软体手套的每根手指的内部和外部拉线均埋线于手掌软体材料中，经过拉线传感器，分别连接至拉线电机和拉线齿轮轴，拉线电机和拉线齿轮轴的旋转方向相反，实现驱动手指内收和外展动作功能。具体地，拇指内部拉线和拇指背部拉线经过所述肩部总成的拇指拉线传感器连接至位于所述肩部总成的拇指拉线总成；余指的四条内部拉线在手心处汇聚成一条余指内部拉线，余指的四条背部拉线在手背处汇聚成一条余指背部拉线，所述余指内部拉线和余指背部拉线经过所述肩部总成的余指拉线传感器连接至位于所述肩部总成的余指拉线总成。

可选地，所述拇指拉线总成包括拇指拉线电机和拇指拉线齿轮轴，由所述拇指拉线电机驱动所述拇指拉线齿轮轴反向转动，所述拇指内部拉线和所述拇指背部拉线分别固定于所述拇指拉线电机和所述拇指拉线齿轮轴，实现驱动拇指内收和外展动作的功能；所述余指拉线总成包括余指拉线电机和余指拉线齿轮轴，由所述余指拉线电机驱动所述余指拉线齿轮轴反向转动，所述余指内部拉线和所述余指背部拉线分别固定于所述余指拉线电机和所述余指拉线齿轮轴，实现驱动余指内收和外展动作的功能；

所述手腕关节连接块，用于连接所述柔性软体手套和腕关节柔性驱动装置，使所述腕关节柔性关节驱动装置能够驱动带动柔性软体手套部分完成腕关节弯曲动作。

可选地，所述手腕关节连接块侧面开有键槽孔，用于连接所述腕关节柔性驱动装置的输出轴。

可选地，所述手腕关节连接块安装有手腕三维角度传感器，用于监测手腕的空间旋转角度。

进一步地，所述小臂总成用于固定在使用者的小臂背外侧带动小臂进行动作训练，并能够调节尺寸。所述小臂总成包括：小臂前板、小臂后板、小臂连接杆、小臂直线轴承、小臂盖板、小臂固定块、小臂定位螺钉、小臂三维角度传感器、小臂软性支撑层和小臂绑带。

可选地，所述小臂前板前端位于腕关节侧面位置开有通孔和螺纹孔，用于装配所述腕关节柔性驱动装置的电机。

可选地，所述小臂后板后端开有键槽孔，用于连接所述肘关节柔性驱动的输出轴；所述小臂后板前端轴向开有螺纹孔，用于连接所述小臂连接杆一端。

可选地，所述小臂连接杆穿过位于所述小臂前板和所述小臂盖板之间的所述小臂直线轴承，所述小臂连杆的另一端螺纹连接至所述小臂固定块，所述小臂固定块能在所述小臂前板的滑动槽中滑动，所述小臂盖板覆盖在小臂前板的滑动槽上。

可选地，所述小臂盖板与所述小臂前板采用螺纹连接，在所述盖板顶部开有螺纹孔，采用所述小臂定位螺钉调整和固定所述小臂固定块的位置，用以调整所述小臂总成的总体长度。

可选地，所述小臂三维角度传感器固定在小臂后板后端，用于监测小臂的空间旋转角度。

可选地，所述小臂软性支撑层和小臂绑带布置在所述小臂前板和小臂后板底部，用于固定所述小臂总成至使用者小臂并保证舒适性。

进一步地，所述大臂总成用于固定在使用者的大臂背外侧带动大臂进行动作训练，并能够调节尺寸。所述大臂总成包括：大臂前板、大臂后板、大臂连接杆、大臂直线轴承、大臂盖板、大臂固定块、大臂定位螺钉和第一大臂三维角度传感器、大臂软性支撑层和大臂绑带。

可选地，所述大臂前板前端位于肘关节位置开有通孔和螺纹孔，用于装配所述肘关节柔性驱动的电机。

可选地，所述大臂后板后端开有键槽孔，用于连接所述第一肩关节柔性驱动的输出轴；所述大臂后板前端轴向开有螺纹孔，用于连接所述大臂连接杆的一端。

可选地，所述大臂连接杆穿过位于所述大臂前板和所述大臂盖板之间的所述直线轴承，所述大臂连杆的另一端螺纹连接至所述大臂固定块，所述大臂固定块能在所述大臂前板的滑动槽中滑动，所述大臂盖板覆盖在大臂前板的滑动槽上。

可选地，所述大臂盖板与所述大臂前板采用螺纹连接，在所述大臂盖板顶部开有螺纹孔，采用所述大臂定位螺钉调整和固定所述大臂固定块的位置，用以调整所述大臂总成的总体长度。

可选地，所述第一大臂三维角度传感器固定在大臂后板后端，用于监测肩关节前屈后伸动作的空间旋转角度。

可选地，所述大臂软性支撑层和大臂绑带布置在所述大臂前板和大臂后板底部，用于固定所述大臂总成至使用者大臂并保证舒适性。

根据一个有利示例，所述肩关节连接块用于连接所述第一肩关节柔性驱动和第二肩关节柔性驱动。

可选地，所述肩关节连接块前端开有通孔和螺纹孔，用于装配所述第一肩关节柔性驱动装置的电机，所述肩关节连接块后端开有键槽孔，用于连接所述第二肩关节柔性驱动装置的输出轴。

可选地，所述肩关节连接块后端安装有第二大臂三维角度传感器，用于监测肩关节内收外展动作的空间旋转角度。

所述肩部总成包括U形块和肩部软性支撑层。电源单元、无线传输单元、分析控制单元、存储单元、拇指拉线总成、余指拉线总成、拇指拉线传感器、余指拉线传感器位于该肩部总成上。

所述U形块用于构成所述肩部总成的机架，背外侧处开有通孔和螺纹孔，用于固定所述第二肩关节柔性驱动的电机。

所述电源单元用于为所述上肢外骨骼模块充电、蓄电和供电。

所述无线传输单元用于接受所述近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号并传输至分析控制单元，以及将所述上肢外骨骼模块包括的各位移或角度传感器的信号传输至所述分析控制单元和所述显示模块。

所述分析控制单元用于分析近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各传感器数据，控制所述四个柔性关节驱动、所述拇指拉线总成和所述余指拉线总成帮助使用者完成标定功能和一系列康复动作训练，并将数据存储至所述存储单元中。

所述存储单元用于存储监测采集的近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块各传感器数据。

所述肩部软性支撑层位于所述U形块下方，用于保证使用者佩戴的舒适性。

可选地，所述U形块位于肩关节位置开有通孔和螺纹孔，用于装配所述第二肩关节柔性驱动的电机；

可选地，所述存储单元采用内置SIM卡，可取出至计算机和通信设备上读取数据。

所述腰肩固定总成包括胸带、背带、腰带和胸部卡扣，用于将所述肩部总成固定在使用者肩部，并分担所述上肢外骨骼模块质量至腰部。

所述四个柔性关节驱动（腕关节柔性驱动、肘关节柔性驱动、第一肩关节柔性驱动和第二肩关节柔性驱动），均由驱动电机和弹性元件组成，所述驱动电机输出轴与所述弹性元件相连，所述弹性元件输出轴即为所述柔性关节驱动输出轴。

可选地，所述驱动电机内置编码器和限位开关，用于采集电机旋转角度和限定电机极限转角，保障使用者使用安全。

可选地，所述四个柔性关节驱动输出轴分别与所述手腕关节连接块、所述小臂后板、所述大臂后板和所述肩关节连接块后端采用键连接方式连接，采用轴端挡圈方式进行轴向固定。

可选地，所述弹性元件采用弹簧、乳胶管或复合弹性体构成。

进一步的，所述显示模块包括显示器和Unity3D虚拟现实场景，用于接收所述无线传输单元传输的近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块各传感器数据，呈现脑皮层实时活动状态和复现使用者上肢活动至虚拟场景中，与使用者产生视觉反馈和拟实交互。

本发明的另一方面提供一种神经环路导向的上肢功能康复训练方法，包括以下步骤：

作为一种神经环路导向的上肢功能康复训练方法的可实施方式，所述上肢康复训练系统提供在线训练模式：

使用者连接所述近红外神经环路信息采集模块至脑部，使用所述小臂定位螺钉和所述大臂定位螺钉调整所述小臂总成和所述大臂总成的总体长度，佩戴所述上肢外骨骼模块至腰部、患侧上肢和患侧手部，所属显示模块显示脑部功能活动图像、预设的虚拟现实场景和复现的3D上肢图像；

由使用者或他人辅助使用者完成肩关节前屈后伸和内收外展、肘关节屈伸和腕关节屈伸极限位置动作，所述分析控制单元根据所述驱动电机内置编码器、手腕三维角度传感器、小臂三维角度传感器、第一大臂三维角度传感器和第二大臂三维角度传感器的角度信息作出所述驱动电机和所述手腕关节连接块、所述小臂总成、所述大臂总成和所述肩关节连接块的相对旋转角度标定；

使用者保持静息状态1分钟，所述近红外神经环路信息采集模块采集每一通道的近红外脑血氧信号用于确定基线；

当选择被动训练模式时，由所述分析控制单元控制所述拇指拉线总成、所述余指拉线总成和所述四个柔性关节驱动带动使用者上肢完成虚拟场景中的训练任务；

当选择助动训练模式时，根据所要完成任务要求的上肢运动位置和实际上肢运动位置差反馈信息，所述分析控制单元控制所述拇指拉线总成、所述余指拉线总成和所述四个柔性关节驱动为上肢运动提供辅助动力，帮助完成训练任务；

当选择主动训练模式时，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务；

当选择阻尼训练模式时，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务，所述分析控制单元控制所述拇指拉线总成、所述余指拉线总成和所述四个柔性关节驱动为上肢运动提供分级的运动阻力，锻炼使用者的上肢运动能力；

当选择虚拟镜像训练模式时，在所述显示模块的所述Unity3D虚拟现实场景中显示虚拟的对侧肢体运动图像，由所述分析控制单元控制所述拇指拉线总成、所述余指拉线总成和所述四个柔性关节驱动帮助使用者上肢完成被动、助动、主动、阻尼训练；

当选择实际镜像训练模式时，使用者需佩戴双侧对称的所述上肢外骨骼模块，所述分析控制单元留有主被动上肢外骨骼接口，其中，主动上肢外骨骼模块为佩戴至健侧的所述上肢外骨骼模块，被动上肢外骨骼模块为佩戴至患侧的所述上肢外骨骼模块；在完成双侧对称的所述上肢外骨骼模块标定步骤和静息步骤后，所述主动上肢外骨骼模块的所述无线传输单元实时将所述主动上肢外骨骼模块的各传感器数据传输至所述被动上肢外骨骼模块的所述无线传输单元，由所述被动上肢外骨骼模块的所述分析控制单元控制所述被动上肢外骨骼模块的所述拇指拉线总成、所述余指拉线总成和所述四个柔性关节驱动带动使用者患侧上肢完成与健侧上肢对称的训练任务。

当选择治疗师带动训练模式时，治疗师需佩戴所述主动上肢外骨骼模块，使用者需佩戴所述被动上肢外骨骼模块；在完成所述主动上肢外骨骼模块和所述被动上肢外骨骼模块的标定步骤和静息步骤后，所述主动上肢外骨骼模块的所述无线传输单元实时将所述主动上肢外骨骼模块的各传感器数据传输至所述被动上肢外骨骼模块的所述无线传输单元，由所述被动上肢外骨骼模块的所述分析控制单元控制所述被动上肢外骨骼模块的所述拇指拉线总成、所述余指拉线总成和所述四个柔性关节驱动带动使用者患侧上肢完成与治疗师相同的训练任务。

作为一种神经环路导向的上肢功能康复训练方法的可实施方式，所述上肢康复训练系统还提供离线训练模式：

当选择所述离线训练模式时，所属显示模块不参与训练过程，使用者仅使用所述近红外神经环路信息采集模块和所述上肢外骨骼模块完成被动、主动、阻尼和实际镜像训练模式训练；训练过程中实时采集近红外脑血氧信号和各传感器数据存储至所述存储单元中，在训练结束后可读取评估。

作为一种神经环路导向的上肢功能康复训练方法的可实施方式，根据以下步骤来实现神经环路导向功能；

所述分析控制单元截取静息状态的每一通道近红外脑血氧信号后30秒钟数据取均值，作为各通道近红外脑血氧信号基线值；

训练过程中，将采集到的各通道近红外脑血氧信号减去各通道的基线值，再进行0.01-0.08Hz的巴特沃斯滤波，得到滤波后的各通道近红外脑血氧信号；

计算所述滤波后的各通道近红外脑血氧信号的时间序列均值，得到每一个通道的活跃程度AD；

计算每两两通道的所述滤波后近红外脑血氧信号的皮尔逊相关系数PCCs，得到功能连接指标；

根据侧偏性指标计算规则，以某大脑半球与对侧大脑半球的脑功能指标之差除以某大脑半球与对侧大脑半球的脑功能指标之和，即

计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs；

在所述在线训练模式下，所述显示模块根据所计算的活跃程度AD和皮尔逊相关系数PCCs实时显示使用者的脑激活图和脑功能连接图，以可升高和降低的柱形图形式显示所述侧偏性系数LAD和侧偏性系数LPCCs，并呈现健康使用者在执行训练任务时的平均脑激活图、平均脑功能连接图、平均侧偏性系数LAD和平均侧偏性系数LPCCs，为使用者提供实时视觉反馈和训练效果参考；

在所述在线训练模式和离线训练模式的助动模式下，若所述脑激活图、所述脑功能连接图、所述侧偏性系数LAD和所述侧偏性系数LPCCs偏离相差超过一定阈值，则所述分析控制单元控制减小所述拇指拉线总成、余指拉线总成和四个柔性关节驱动提供的助力大小，以让使用者主动做出更大努力完成训练任务；

在所述在线训练模式和离线训练模式的阻尼模式下，若所述脑激活图、所述脑功能连接图、所述侧偏性系数LAD和所述侧偏性系数LPCCs偏离相差超过一定阈值，则所述分析控制单元控制增大所述拇指拉线总成、余指拉线总成和四个柔性关节驱动提供的阻力大小，以让使用者主动做出更大努力完成训练任务；

同样的控制逻辑亦适用于所述虚拟镜像训练模式和实际镜像训练模式的神经环路导向控制策略中。

本发明的有益效果是：能够调节小臂和大臂尺寸，适用面广；融合近红外脑血氧信号参数、上肢多自由度运动参数，实现上肢运动能力综合评估；能够以神经环路为导向，以外骨骼形式驱动和调整主动、被动、阻尼、镜像等多种训练模式；通过虚拟现实交互技术手段，提供训练过程中的视觉反馈，提高脑肢协同康复效率。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例的一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统构成示意图；

图2为本发明实施例的近红外通道布置模板示意图；

图3为本发明实施例的上肢外骨骼模块示意图；

图4为本发明实施例的柔性软体手套和手腕关节连接块示意图；

图5为本发明实施例的小臂总成示意图；

图6为本发明实施例的大臂总成和肩关节连接块示意图；

图7为本发明实施例的肩部总成和腰肩固定总成示意图；以及

图8为本发明实施例的腕关节柔性驱动示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的基于近红外脑功能与步态参数的评估方法及系统。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其做出任何限制。

以下通过附图详细地描述根据本发明的神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法。

图1为本发明实施例的一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统构成示意图。

如图1所示，该神经环路导向的上肢功能康复训练系统构包括近红外神经环路信息采集模块1、上肢外骨骼模块2和显示模块3，在上肢外骨骼模块2还包括分析控制模块。

近红外神经环路信息采集模块1用于建立使用者与近红外神经环路信息采集设备的连接，根据特定的近红外通道布置采集相应脑区的近红外脑血氧信号，并将采集到的近红外脑血氧信号传输至上肢外骨骼模块上的分析控制模块的分析控制单元。

上肢外骨骼模块2用于佩戴至使用者的腰部、肩部、上肢和手部，辅助上肢完成肩关节前屈后伸和内收外展运动训练、肘关节屈伸运动训练、腕关节屈伸运动训练和手部抓握伸展运动训练。

分析控制模块接收和分析近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号，形成神经环路导向和脑肢协同康复控制策略，提供主动、被动、阻尼、镜像等多种训练模式。

显示模块3用于在上肢功能康复训练系统使用过程中搭建半沉浸式虚拟现实环境，实现与使用者的拟实环境交互和视觉反馈，提高使用者的沉浸体验，并提供视觉镜像训练模式。

图2为本发明实施例的近红外通道布置模板示意图。

如图2所示，近红外神经环路信息采集模块包括功能性近红外脑氧采集设备和通道排布模板，其中近红外脑氧采集设备用于产生和探测穿过脑皮层组织的近红外光，通道排布模板用于设定具体需要探测的脑功能区皮层位置。

图3为本发明实施例的上肢外骨骼模块示意图。

如图3所示，上肢外骨骼模块2包括柔性软体手套4、手腕关节连接块5、小臂总成6、大臂总成7、肩关节连接块8、肩部总成9、腰肩固定总成10和四个柔性关节驱动（腕关节柔性驱动11、肘关节柔性驱动12、第一肩关节柔性驱动13和第二肩关节柔性驱动14）。

以下通过图4至图8详细描述上肢外骨骼模块2的各个部分的结构，其中图4为本发明实施例的柔性软体手套和手腕关节连接块示意图；图5为本发明实施例的小臂总成示意图；图6为本发明实施例的大臂总成和肩关节连接块示意图；图7为本发明实施例的肩部总成和腰肩固定总成示意图；以及图8为本发明实施例的腕关节柔性驱动示意图。

如图4所示，柔性软体手套4由软体材料制造，每个手指对应手套的内部和背部留有拉线孔401，每个手指端部为半球形指套402，半球形指套的内部和外部留有拉线固定孔403，由拉线形式控制软体手套的抓握和伸展动作。

控制软体手套的拉线均埋线于手掌软体材料404中，其中，拇指内部拉线和拇指背部拉线经过如图7所示的肩部总成9的拇指拉线传感器908连接至位于肩部总成9的拇指拉线总成906；余指的四条内部拉线在手心处汇聚成一条余指内部拉线，余指的四条背部拉线在手背处汇聚成一条余指背部拉线，余指内部拉线和余指背部拉线经过肩部总成9的余指拉线传感器909连接至位于肩部总成的余指拉线总成907。

拇指拉线总成906包括拇指拉线电机和拇指拉线齿轮轴，由拇指拉线电机驱动拇指拉线齿轮轴反向转动，拇指内部拉线和拇指背部拉线分别固定于拇指拉线电机和拇指拉线齿轮轴，实现驱动拇指内收和外展动作的功能；余指拉线总成907包括余指拉线电机和余指拉线齿轮轴，由余指拉线电机驱动余指拉线齿轮轴反向转动，余指内部拉线和余指背部拉线分别固定于余指拉线电机和余指拉线齿轮轴，实现驱动余指内收和外展动作的功能。如下实现拇指和余指的内收和外展动作的功能：柔性软体手套上的每根手指都布置有内部拉线和背部拉线，内部拉线拉紧则实现弯屈动作，背部拉线拉紧则实现伸张动作；当一侧拉线拉紧时，另一侧拉线需要舒张，因此内部和背部拉线的运动方向需要反向。将内部拉线布置在拉线电机上，背部拉线布置在拉线齿轮轴上，拉线电机和拉线齿轮轴由一对齿轮啮合传动，来实现内侧拉线和外侧拉线的反向。

还如图4所示，手腕关节连接块5用于连接柔性软体手套4和腕关节柔性驱动装置11，使腕关节柔性驱动装置11能够驱动带动柔性软体手套部分完成腕关节弯曲动作。

手腕关节连接块5侧面开有键槽孔501，用于连接腕关节柔性驱动装置11的输出轴1104。手腕关节连接块5安装有手腕三维角度传感器502，用于监测手腕的空间旋转角度。

如图5所示，小臂总成6用于固定在使用者的小臂背外侧带动小臂进行动作训练，并能够调节尺寸。小臂总成包括：小臂前板601、小臂后板602、小臂连接杆603、小臂直线轴承604、小臂盖板605、小臂固定块606、小臂定位螺钉607、小臂三维角度传感器608、小臂软性支撑层609和小臂绑带610。

小臂前板601前端位于腕关节侧面位置开有通孔和螺纹孔611，用于装配腕关节柔性驱动装置11的电机1101。

小臂后板602后端开有键槽孔612，用于连接肘关节柔性驱动12的输出轴；小臂后板602前端轴向开有螺纹孔613，用于连接小臂连接杆的一端。

小臂连接杆603穿过位于小臂前板601和小臂盖板605之间的小臂直线轴承604，小臂连接杆603的另一端螺纹连接至小臂固定块606，小臂固定块606能在小臂前板601的滑动槽内滑动，小臂盖板605覆盖在小臂前板601的滑动槽上。

小臂盖板605与小臂前板601采用四个螺纹孔614连接，在小臂盖板605顶部开有螺纹孔615，采用小臂定位螺钉607调整和固定小臂固定块606的位置，用以调整小臂总成6的总体长度。

小臂三维角度传感器608固定在小臂后板602后端，用于监测小臂的空间旋转角度。

小臂软性支撑层609和小臂绑带610布置在小臂前板601和小臂后板602底部，用于固定小臂总成6至使用者小臂并保证舒适性。

如图6所示，大臂总成7用于固定在使用者的大臂背外侧带动大臂进行动作训练，并能够调节尺寸；大臂总成7包括：大臂前板701、大臂后板702、大臂连接杆703、大臂直线轴承704、大臂盖板705、大臂固定块706、大臂定位螺钉707和第一大臂三维角度传感器708、大臂软性支撑层709和大臂绑带710。

大臂前板701前端位于肘关节位置开有通孔和螺纹孔711，用于装配肘关节柔性驱动12的电机。

大臂后板702后端开有键槽孔712，用于连接第一肩关节柔性驱动13的输出轴；大臂后板702前端轴向开有螺纹孔713，用于连接大臂连接杆703的一端。

大臂连接杆703穿过位于大臂前板701和大臂盖板705之间的直线轴承704，大臂连接杆703的另一端螺纹连接至大臂固定块706，大臂固定块706能在大臂前板701的滑动槽内滑动，大臂盖板705覆盖在大臂前板701的滑动槽上。

大臂盖板705与大臂前板701采用四个螺纹孔714连接，在大臂盖板705顶部开有螺纹孔715，采用大臂定位螺钉707调整和固定大臂固定块706的位置，用以调整大臂总成7的总体长度。

第一大臂三维角度传感器708固定在大臂后板702后端，用于监测肩关节前屈后伸动作的空间旋转角度。

大臂软性支撑层709和大臂绑带710布置在大臂前板701和大臂后板702底部，用于固定大臂总成7至使用者大臂并保证舒适性。

如图6所示，肩关节连接块8用于连接第一肩关节柔性驱动装置13和第二肩关节柔性驱动装置14。

肩关节连接块8前端开有通孔和螺纹孔801，用于装配第一肩关节柔性驱动装置13的电机，肩关节连接块8后端开有键槽孔802，用于连接第二肩关节柔性驱动装置14的输出轴。肩关节连接块8后端安装有第二大臂三维角度传感器803，用于监测肩关节内收外展动作的空间旋转角度。

如图7所示，肩部总成9包括U形块901，在U形块901上设置有电源单元902、无线传输单元903、分析控制单元904、存储单元905、拇指拉线总成906、余指拉线总成907、拇指拉线传感器908、余指拉线传感器909和肩部软性支撑层910。

U形块901用于构成肩部总成9的机架，背外侧处开有通孔和螺纹孔911，用于固定第二肩关节柔性驱动装置14的电机。

电源单元902用于为上肢外骨骼模块2充电、蓄电和供电。

分析控制模块的无线传输单元903用于接受近红外神经环路信息采集模块1传输的近红外脑血氧信号并传输至分析控制单元904，和将上肢外骨骼模块2包括的各位移或角度传感器的信号传输至分析控制单元904和显示模块3。

分析控制模块的分析控制单元904用于分析近红外脑血氧信号和上肢外骨骼模块2的各传感器数据，控制四个柔性关节驱动装置、拇指拉线总成906和余指拉线总成907帮助使用者完成标定功能和一系列康复动作训练，并将数据存储至存储单元905中。

分析控制模块的存储单元905用于存储监测采集的近红外脑血氧信号和上肢外骨骼模块2各个传感器的数据。

肩部软性支撑层910位于U形块901下方，用于保证使用者佩戴的舒适性。

可选地，存储单元采用内置SIM卡，可取出至计算机和通信设备读取数据。

如图7所示，腰肩固定总成10包括胸带1001、背带1002、腰带1003和胸部卡扣1004，用于将肩部总成10固定在使用者肩部，并分担上肢外骨骼模块2质量至腰部。

如图8所示，四个柔性关节驱动（腕关节柔性驱动装置11、肘关节柔性驱动装置12、第一肩关节柔性驱动装置13和第二肩关节柔性驱动装置14，以腕关节柔性驱动11为例加以说明）均由驱动电机1101和弹性元件1102组成，驱动电机输出轴1103与弹性元件1102相连，弹性元件输出轴1104即为柔性关节驱动输出轴1104，其中：驱动电机1101内置编码器和限位开关，用于采集电机旋转角度和限定电机极限转角，保障使用者使用安全；四个柔性关节驱动输出轴1104分别与手腕关节连接块5、小臂后板602、大臂后板702和肩关节连接块8后端采用键连接方式连接，采用轴端挡圈1105方式进行轴向固定；弹性元件1102采用弹簧、乳胶管或复合弹性体构成。

如图1所示，显示模块包括显示器和Unity3D虚拟现实场景，用于接收无线传输单元903传输的近红外脑血氧信号和上肢外骨骼模块2各传感器数据，呈现脑皮层实时活动状态和复现使用者上肢活动至虚拟场景中，与使用者产生视觉反馈和拟实交互。

本发明的神经环路导向的上肢功能康复训练方法包括以下步骤：

1）当上肢康复训练系统提供在线训练模式时包括以下步骤：

佩戴步骤：使用者连接近红外神经环路信息采集模块1至脑部，使用小臂定位螺钉607和大臂定位螺钉707调整小臂总成6和大臂总成7的总体长度，佩戴上肢外骨骼模块2至腰部、患侧上肢和患侧手部，所属显示模块3显示脑部功能活动图像、预设的虚拟现实场景和复现的3D上肢图像；

标定步骤：由于柔性关节驱动的弹性元件1102在不同长度的小臂总成6和大臂总成7工况下会改变转矩传递曲线，所以需要进行佩戴完成后的标定工作，以在最大最小极限位置范围内完成电机输出轴角度和柔性关节输出轴角度的对应关系，从而能保证控制的精准性。由使用者或他人辅助使用者完成肩关节前屈后伸和内收外展、肘关节屈伸和腕关节屈伸极限位置动作。分析控制单元904根据驱动电机内置编码器、手腕三维角度传感器502、小臂三维角度传感器608、第一大臂三维角度传感器708和第二大臂三维角度传感器803的角度信息，对驱动电机和手腕关节连接块5、小臂总成6、大臂总成7和肩关节连接块8的相对旋转角度进行标定；

静息步骤：使用者保持静息状态1分钟，近红外神经环路信息采集模块1采集每一通道的近红外脑血氧信号用于确定基线；

当选择被动训练模式时，由分析控制单元904控制拇指拉线总成906、余指拉线总成907和四个柔性关节驱动装置带动使用者上肢完成虚拟场景中的训练任务；

当选择助动训练模式时，根据所要完成任务要求的上肢运动位置和实际上肢运动位置差反馈信息，分析控制单元904控制拇指拉线总成906、余指拉线总成907和四个柔性关节驱动装置为上肢运动提供辅助动力，帮助完成训练任务；

当选择主动训练模式时，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务；

当选择阻尼训练模式时，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务，分析控制单元904控制拇指拉线总成906、余指拉线总成907和四个柔性关节驱动为上肢运动提供分级的运动阻力，锻炼使用者的上肢运动能力；

当选择虚拟镜像训练模式时，在显示模块3的Unity3D虚拟现实场景中显示虚拟的对侧肢体运动图像，由分析控制单元904控制拇指拉线总成906、余指拉线总成907和四个柔性关节驱动帮助使用者上肢完成相应的被动、助动、主动、阻尼训练；

当选择实际镜像训练模式时，使用者需佩戴双侧对称的上肢外骨骼模块2，分析控制单元904留有主被动上肢外骨骼接口，其中，主动上肢外骨骼模块904为佩戴至健侧的上肢外骨骼模块2，被动上肢外骨骼模块2’为佩戴至患侧的上肢外骨骼模块2’；在完成双侧对称的上肢外骨骼模块2和2’标定步骤和静息步骤后，主动上肢外骨骼模块2的无线传输单元903实时将主动上肢外骨骼模块2的各传感器数据传输至被动上肢外骨骼模块2’的无线传输单元903’，由被动上肢外骨骼模块2’的分析控制单元904’控制被动上肢外骨骼模块2’的拇指拉线总成906’、余指拉线总成907’和四个柔性关节驱动带动使用者患侧上肢完成与健侧上肢对称的训练任务；

当选择治疗师带动训练模式时，治疗师需佩戴主动上肢外骨骼模块2，使用者需佩戴被动上肢外骨骼模块2’；在完成主动上肢外骨骼模块2和被动上肢外骨骼模块2’的标定步骤和静息步骤后，主动上肢外骨骼模块2的无线传输单元903实时将主动上肢外骨骼模块2的各传感器数据传输至被动上肢外骨骼模块2’的无线传输单元903’，由被动上肢外骨骼模块2’的分析控制单元904’控制被动上肢外骨骼模块的拇指拉线总成906’、余指拉线总成907’和四个柔性关节驱动装置带动使用者患侧上肢完成与治疗师上肢相同的训练任务。

2）当上肢康复训练系统提供离线训练模式时还包括以下步骤：

当选择离线训练模式时，所属显示模块3不参与训练过程，使用者仅使用近红外神经环路信息采集模块1、上肢外骨骼模块2和分析控制模块完成被动、主动、阻尼和实际镜像训练模式训练；训练过程中实时采集近红外脑血氧信号和各传感器数据存储至存储单元905中，在训练结束后可读取评估。

根据以下步骤来实现神经环路导向功能；

分析控制单元904截取静息状态的每一通道近红外脑血氧信号后30秒钟数据取均值，作为各通道近红外脑血氧信号基线值；

训练过程中，将采集到的各通道近红外脑血氧信号减去各通道的基线值，再进行0.01-0.08Hz的巴特沃斯滤波，得到滤波后的各通道近红外脑血氧信号。巴特沃斯滤波器的幅频特性函数为：

，

其中，H为滤波器的幅频增益，

为截止频率，N为滤波器的阶数。N的值越大，即巴特沃斯滤波器的阶数越高，其在截止频率附近的幅频特性曲线越陡，就越接近于理想情况。为保证巴特沃斯滤波器的稳定性，本实施例选用0.01-0.08Hz的三阶巴特沃斯滤波器；

计算滤波后的各通道近红外脑血氧信号的时间序列均值，得到每一个通道的活跃程度AD；

计算每两两通道的滤波后近红外脑血氧信号的皮尔逊相关系数PCCs，得到功能连接指标；

根据侧偏性指标计算规则，以某大脑半球与对侧大脑半球的脑功能指标之差除以某大脑半球与对侧大脑半球的脑功能指标之和，即

，

计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD，即

，

和基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs，即

，

其中，AD_同侧为同侧脑区所有通道的平均激活程度，AD_对侧为对侧脑区所有通道的平均激活程度；LAD值为1代表完全的同侧激活，-1代表完全的对侧激活，接近0的LAD值代表较为平衡的激活模式；

C_同侧为同侧脑区存在功能连接的体素数量，T_同侧为同侧脑区总体素数量，C_对侧为对侧脑区存在功能连接的体素数量，T_对侧为对侧脑区总体素数量；LPCCs值范围同样介于1到-1之间，其中-1代表仅存在对侧连接，1代表仅存在同侧连接，接近0的值表示对称连接；

在在线训练模式下，显示模块3根据所计算的活跃程度AD和皮尔逊相关系数PCCs实时显示使用者的脑激活图和脑功能连接图，以可升高和降低的柱形图形式显示侧偏性系数LAD和侧偏性系数LPCCs，并呈现健康使用者在执行训练任务时的平均脑激活图、平均脑功能连接图、平均侧偏性系数LAD和平均侧偏性系数LPCCs，为使用者提供实时视觉反馈和训练效果参考；

在在线模式和离线模式的助动模式下，若脑激活图、脑功能连接图、侧偏性系数LAD和侧偏性系数LPCCs偏离相差超过一定阈值，则分析控制单元904控制减小拇指拉线总成906、余指拉线总成907和四个柔性关节驱动提供的助力大小，以让使用者主动做出更大努力完成训练任务；

在在线模式和离线模式的阻尼模式下，若脑激活图、脑功能连接图、侧偏性系数LAD和侧偏性系数LPCCs偏离相差超过一定阈值，则分析控制单元904控制增大拇指拉线总成906、余指拉线总成907和四个柔性关节驱动提供的阻力大小，以让使用者主动做出更大努力完成训练任务；

同样的控制逻辑亦适用于虚拟镜像训练模式和实际镜像训练模式的神经环路导向策略中。

最后应说明的是:以上所述实施例,仅为本发明的具体实施方式,用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统，包括近红外神经环路信息采集模块、上肢外骨骼模块、分析控制模块和显示模块，其特征在于：

所述近红外神经环路信息采集模块用于采集相应脑区的近红外脑血氧信号，并将采集到的近红外脑血氧信号传输至所述分析控制模块；

所述分析控制模块用于接收和分析从所述近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号以及接收来自所述上肢外骨骼模块上的各个位移或角度传感器的信号，以形成神经环路导向和脑肢协同康复控制策略；

所述上肢外骨骼模块用于佩戴至使用者的腰部、肩部、上肢和手部，并且根据所述分析控制模块形成的康复控制策略辅助上肢完成肩关节前屈后伸和内收外展运动训练、肘关节屈伸运动训练、腕关节屈伸运动训练和手部抓握伸展运动训练，所述上肢外骨骼模块包括：柔性软体手套，用于佩戴至使用者的手部上；手腕关节连接块，该手腕关节连接块用于将腕关节柔性驱动装置连接到所述柔性软体手套以驱动所述柔性软体手套；小臂总成，该小臂总成的一端通过所述腕关节柔性驱动装置连接到所述手腕关节连接块；大臂总成，该大臂总成的一端通过肘关节柔性驱动装置连接到所述小臂总成的另一端，所述肘关节柔性驱动装置用于驱动所述小臂总成；肩关节连接块，该肩关节连接块的一端通过第一肩关节柔性驱动装置连接到所述大臂总成的另一端，所述第一肩关节柔性驱动装置用于驱动所述大臂总成；肩部总成，所述肩关节连接块的另一端通过第二肩关节柔性驱动装置连接到该肩部总成，所述第二肩关节柔性驱动装置用于驱动所述肩部总成；以及腰肩固定总成，该腰肩固定总成用于将所述肩部总成固定在使用者肩部并将所述上肢外骨骼模块的质量分布至腰部，其中手腕关节连接块安装有手腕三维角度传感器，用于监测手腕的空间旋转角度，小臂三维角度传感器固定在小臂总成的小臂后板后端，用于监测小臂的空间旋转角度，第一大臂三维角度传感器固定在大臂总成的大臂后板后端，用于监测肩关节前屈后伸动作的空间旋转角度，并且肩关节连接块后端安装有第二大臂三维角度传感器，用于监测肩关节内收外展动作的空间旋转角度；并且

所述显示模块用于在所述上肢功能康复训练系统使用过程中搭建虚拟现实环境，实现与使用者的拟实环境交互和视觉反馈，

神经环路导向和脑肢协同康复控制策略包括：

根据由用于驱动柔性软体手套的腕关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动小臂总成的肘关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动大臂总成的第一肩关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动肩部总成的第二肩关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、手腕三维角度传感器、小臂三维角度传感器、第一大臂三维角度传感器和第二大臂三维角度传感器提供的角度信息，由分析控制模块对各个驱动电机的输出轴旋转角度和用于连接柔性软体手套和小臂总成的手腕关节连接块、小臂总成、大臂总成、用于连接大臂总成和肩部总成的肩关节连接块的旋转角度进行标定；

根据近红外脑血氧信号确定基线；以及

根据合适的训练模式进行在线训练或离线训练，其中能够将训练过程显示在显示模块上，并且其中在在线和离线训练过程中，能够将训练过程中所采集的近红外脑血氧信号和各个传感器的数据信号存储至存储单元中，以在训练结束之后进行读取评估，

根据以下步骤来实现神经环路导向功能：

由分析控制模块截取静息状态下的使用者脑部的每一通道在一段时间内的近红外脑血氧信号的数据取均值，作为各通道近红外脑血氧信号基线值；

根据训练模式和训练任务，将获取的各个通道的近红外脑血氧信号减去各个通道的基线值，再进行滤波，得到滤波后的各通道近红外脑血氧信号；

计算滤波后的各个通道的近红外脑血氧信号的时间序列均值，得到每一个通道的活跃程度AD；

计算每两两通道的近红外脑血氧信号的皮尔逊相关系数PCCs，得到功能连接指标；

根据侧偏性指标计算规则，计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs，其中侧偏性系数LAD表示同侧脑区和对侧脑区之间的激活程度，并且其中皮尔逊相关系数PCCs表示脑区同侧和对侧的连接程度；

在在线训练模式下，根据所计算的活跃程度AD和皮尔逊相关系数PCCs实时显示使用者的脑激活图和脑功能连接图，显示基于活跃程度的所述侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数的侧偏性系数LPCCs，并呈现健康使用者在执行训练任务时的平均脑激活图、平均脑功能连接图、基于活跃程度的平均侧偏性系数和基于皮尔逊相关系数的平均侧偏性系数，以向使用者提供实时视觉反馈和训练效果参考；

在在线训练模式和离线训练模式下，若所述脑激活图、所述脑功能连接图、基于活跃程度的所述侧偏性系数和基于皮尔逊相关系数的所述侧偏性系数偏离相差超过一定阈值，则分析控制模块控制由拇指拉线总成、余指拉线总成和四个柔性关节驱动装置提供的助力或阻力，用于促使使用者完成训练任务。

2.根据权利要求1所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述柔性软体手套由柔软材料制造，与每个手指对应的手指套通过拉线连接到拉线总成，拉线总成位于所述肩部总成上并且借助于拉线控制该柔性软体手套的抓握和伸展动作。

3.根据权利要求2所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述拉线总成包括拇指拉线总成和余指拉线总成，分别用于控制拇指和余指的动作，其中所述拇指拉线总成包括拇指拉线电机和拇指拉线齿轮轴，由所述拇指拉线电机驱动所述拇指拉线齿轮轴转动并且所述拇指拉线齿轮轴与所述拇指拉线电机的转动反向，拇指内部拉线和拇指背部拉线分别固定于所述拇指拉线电机和所述拇指拉线齿轮轴，实现驱动拇指内收和外展动作的功能；其中所述余指拉线总成包括余指拉线电机和余指拉线齿轮轴，由所述余指拉线电机驱动所述余指拉线齿轮轴转动并且所述余指拉线齿轮轴与所述余指拉线电机的转动反向，余指内部拉线和余指背部拉线分别固定于所述余指拉线电机和所述余指拉线齿轮轴，实现驱动余指内收和外展动作的功能。

4.根据权利要求1所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述小臂总成包括：小臂前板，该小臂前板的前端用于装配所述腕关节柔性驱动装置；小臂后板；该小臂后板的后端用于连接所述肘关节柔性驱动装置；以及小臂连接杆，该小臂连接杆用于连接所述小臂前板和所述小臂后板，并且通过该小臂连接杆能够调节所述小臂前板和所述小臂后板之间的相对位置以及调节该小臂总成在使用者的小臂的轴向上的位置。

5.根据权利要求4所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述小臂总成还包括小臂固定块，所述小臂连接杆的一端螺纹连接到所述小臂后板的前端，所述小臂连接杆的另一端穿过位于所述小臂前板上的小臂直线轴承连接到所述小臂固定块，所述小臂固定块能够在所述小臂前板的槽中滑动并且由小臂定位螺钉在所述小臂前板的槽中固定就位。

6.根据权利要求1所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述大臂总成包括：大臂前板，该大臂前板的前端用于装配所述肘关节柔性驱动装置；大臂后板；该大臂后板的后端用于连接所述第一肩关节柔性驱动装置；以及大臂连接杆，该大臂连接杆用于连接所述大臂前板和所述大臂后板，并且通过该大臂连接杆能够调节所述大臂前板和所述大臂后板之间的相对位置以及调节该大臂总成在使用者的大臂的轴向上的位置。

7.根据权利要求6所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述大臂总成还包括大臂固定块，所述大臂连接杆的一端螺纹连接到所述大臂后板的前端，所述大臂连接杆的另一端穿过位于所述大臂前板上的大臂直线轴承连接到所述大臂固定块，所述大臂固定块能够在所述大臂前板的槽中滑动并且由大臂定位螺钉在所述大臂前板的槽中固定就位。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述分析控制模块位于所述肩部总成上并且包括：

无线传输单元，该无线传输单元用于接受所述近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号和来自所述上肢外骨骼模块上的各个位移或角度传感器的信号，并将所述近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各个位移或角度传感器的信号传输至分析控制单元和所述显示模块；

所述分析控制单元，该分析控制单元用于分析所述近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各个位移或角度传感器的信号，控制所述上肢外骨骼模块完成一系列康复动作训练，并将这些数据存储至存储单元中；以及

所述存储单元，该存储单元用于存储监测采集的近红外脑血氧信号和所述上肢外骨骼模块的各个位移或角度传感器的信号。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述腕关节柔性驱动装置、所述肘关节柔性驱动装置、所述第一肩关节柔性驱动装置和所述第二肩关节柔性驱动装置均由驱动电机和弹性元件组成，所述驱动电机的输出轴与所述弹性元件相连，所述弹性元件的输出轴即为这些柔性关节驱动装置的输出轴。

10.根据权利要求1所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，所述训练模式主要包括以下模式：

主动训练模式，在该模式下，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务；

被动训练模式，在该模式下，由分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置，以带动使用者上肢完成虚拟场景中的训练任务；

助动训练模式，在该模式下，根据所要完成任务要求的上肢运动位置和实际上肢运动位置差反馈信息，分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置为上肢运动提供辅助动力，帮助完成训练任务；

阻尼训练模式，在该模式下，由使用者自行在虚拟现实交互场景中完成训练任务，分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置为上肢运动提供分级的运动阻力，以锻炼使用者的上肢运动能力；

虚拟镜像训练模式，在该模式下，在显示模块的3D虚拟现实场景中显示虚拟的对侧肢体运动图像，由分析控制模块控制拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置，以帮助使用者上肢完成相应的被动、助动、主动、阻尼训练；

实际镜像训练模式，在该模式下，使用者需要佩戴双侧对称的上肢外骨骼模块，其中，主动上肢外骨骼模块为佩戴至健侧的上肢外骨骼模块，被动上肢外骨骼模块为佩戴至患侧的上肢外骨骼模块，在完成双侧对称的主动上肢外骨骼模块和被动上肢外骨骼模块的标定步骤和静息步骤之后，将主动上肢外骨骼模块的各个传感器的数据信号传输至被动上肢外骨骼模块，由被动上肢外骨骼模块的分析控制模块控制该被动上肢外骨骼模块的拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动装置带动使用者患侧上肢完成与健侧上肢对称的训练任务；

治疗师带动训练模式，在该模式下，治疗师需要佩戴主动上肢外骨骼模块，使用者需要佩戴被动上肢外骨骼模块，在完成主动上肢外骨骼模块和被动上肢外骨骼模块的标定步骤和静息步骤之后，将主动上肢外骨骼模块的各个传感器数据信号实时地传输至被动上肢外骨骼模块，由被动上肢外骨骼模块的分析控制模块控制该被动上肢外骨骼模块的拇指拉线总成、余指拉线总成和各个柔性关节驱动主装置，以带动使用者患侧上肢完成与治疗师上肢相同的训练任务。

11.根据权利要求1所述的神经环路导向的上肢功能康复训练系统，其特征在于，

根据以下公式计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD：

，

其中，AD_同侧为同侧脑区所有通道的平均激活程度，AD_对侧为对侧脑区所有通道的平均激活程度；LAD值为1代表完全的同侧激活，-1代表完全的对侧激活，接近0的LAD值代表较为平衡的激活模式，

并且根据以下公式计算基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs，

，

其中，C_同侧为同侧脑区存在功能连接的体素数量，T_同侧为同侧脑区总体素数量，C_对侧为对侧脑区存在功能连接的体素数量，T_对侧为对侧脑区总体素数量；LPCCs值范围同样介于1到-1之间，其中-1代表仅存在对侧连接，1代表仅存在同侧连接，接近0的值表示对称连接。

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