CN112206140A - 心脑耦合导向的气动循环训练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及心脑耦合导向的气动循环训练系统和方法。系统包括：气动循环设备，形成对肢体和组织的循环压力；信息采集模块，同步采集脑血氧信号和血压信号并将采集信号传输至分析模块；分析模块，处理和分析从信息采集模块同步采集到的脑血氧信号和血压信号并将处理的信号数据传输至显示设备；显示设备，实时地呈现从分析模块传输的分析数据和反馈模块的反馈过程；反馈模块，判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域的激活以及反映脑部和心脑耦合指标参数是否有效或异常，对气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。本发明以动脉压以及近红外光信号参数监测和反馈为基础，测量出经气动循环刺激对大脑不同区域的影响。

Description

心脑耦合导向的气动循环训练方法及系统

技术领域

本发明涉及肢体运动康复训练领域，特别涉及一种心脑耦合导向的气动循环训练方法及系统，用于气动循环的康复效果的评估。

背景技术

中风是世界范围内致残的主要原因，给照料者和社会造成了重大负担。运动障碍是中风后公认的缺陷。运动功能的丧失或损伤可持续数年，并对日常生活活动能力造成严重影响。因此，重视脑卒中后运动及相关功能的康复至关重要。

间歇顺序气动压缩(ISPC)是一种有效的物理训练技术，通过以不同压力从远侧气囊向近侧气囊进行顺序充气加压和放气减压,从而形成对下肢从远心端向近心端的挤压过程，血管管腔内外压力改变加快血流速度。ISPC机械压力增加了血管壁的剪切压，血管受到机械刺激后促进一氧化氮的释放，产生相应的舒血管效应，从而改善微循环。ISPC被证明可以通过增加血压和脑血流速度来改善脑灌注和侧支血供，从而增加偏瘫侧受累肢体的感觉输入。此外，ISPC干预被认为可以增加副交感神经活动，从而改善心脏自主神经控制。ISPC在临床上已广泛应用于改善偏瘫患者的活动能力。然而，ISPC干预对脑卒中患者脑血红蛋白和动脉血压(ABP)网络耦合的影响尚不清楚。

现有的气动循环康复训练技术，其气动循环参数往往是固定的。这种方式不能提供有针对性的个性化方案，可能达不到患者预期的训练效果。且现有技术缺乏与患者中枢神经反应的实时反馈与交互。中国专利CN109044311A涉及一种空气波压力治疗与脉搏血压动态监测一体化装置，将空气波压力治疗与脉搏血压测量相结合，用于按摩治疗与健康数据动态监测。但是其并未获得大脑活动信号，缺乏心脑激活反馈。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供一种心脑耦合导向的气动循环训练系统，其特征在于，包括：

气动循环设备，用于形成对肢体和组织的循环压力；

信息采集模块，用于同步采集脑血氧信号和血压信号，并将所采集的信号传输至分析模块；

分析模块，用于处理和分析从信息采集模块同步采集到的脑血氧信号和血压信号，并将处理和分析后所得的信号数据传输至显示设备；

显示设备，用于实时呈现从分析模块传输的分析数据并且实时呈现反馈模块的反馈过程；

反馈模块用于判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域的激活以及反映脑部和心脑耦合指标参数是否有效或异常，对气动循环设备的气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。

根据一个实施例，分析模块用于对同步采集到的脑血氧和血压信号进行如下处理：对脑血氧信号进行时间序列时域和频域上的小波变换以得到特定波段内时域上的小波幅值，并同步计算血压和脑血氧之间的相位相干性以及心脑耦合强度。

在一个有利实施例中，由显示设备显示小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度，并且由反馈模块来判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活、相位相干性以及心脑耦合强度是否有效或异常。

在一个有利实施例中，该气动循环训练系统还包括存储模块，用于存储多次训练的参数以评价长周期气动循环训练的康复效果。

优选地，信息采集模块包括：近红外光谱仪，用于采集受试者的靶向脑区及其它有关功能连接的脑血氧信号；以及血压仪，用于同步采集受试者的动脉压信号。

优选地，在气动循环设备开始进行充放气时，信息采集模块在近红外光谱仪以及血压仪的时域信号中同步标定充放气时刻，使得在充放气开始时能够即时采集到脑血氧和血压信号的变化。

本发明的另一方面提供一种心脑耦合导向的气动循环训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照预先设定的气动循环参数施加气动循环；

同步采集脑血氧信号和血压信号；

处理和分析同步采集到的脑血氧信号和血压信号，并将处理和分析后所得的信号数据进行显示；以及

判断气动循环训练过程中反映脑皮层特定区域的激活的指标参数是否有效或异常，对气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。

在一个有利实施例中，处理和分析步骤包括实时地处理并分析反馈多个频率段内的小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度，其中小波幅值表征脑区激活强度指标参数，小波相位相干性表征功能连接强度指标参数，心脑耦合强度表征效应连接强度指标参数。

在一个有利实施例中，在气动循环开始进行充放气时，在时域信号中同步标定充放气时刻，使得在充放气开始时能够即时采集到脑血氧和血压信号的变化。

本发明的目的是提供一种心脑耦合导向的气动循环训练方法及系统。该康复训练系统以心脑耦合为导向，实现评价康复训练效果的功能，并提供视觉反馈，提高患者的康复质量和效率。

本发明的一个方面提供一种心脑耦合导向的气动循环训练系统，其特征在于，包括：

气动循环设备，通过对多腔气囊有顺序的反复充放气，形成对肢体和组织的循环压力，对肢体的远端到肢体的近端进行均匀有序适当的挤压；

同步信息采集模块，所述同步信息采集模块用于在气动循环设备开始进行充放气时，在近红外以及血压设备的时域信号中同步标定充放气时刻，使得在充放气开始时能够即时采集到血氧和血压信号的变化，并将信号传输至所述分析模块，其中

功能近红外光谱仪，用于采集受试者的靶向脑区及其它有关功能连接的脑血氧信号；

血压仪，用于同步采集受试者的动脉压信号。

在一个有利实施例中，其中所述分析模块，用于处理同步采集到的血氧和血压信号，对从所述监测模块传输得到的脑血氧信号的时间序列时域和频域上的小波变换结果以及特定时域内的小波幅值，并同步计算血压和脑氧之间的小波相位相干性以及心脑耦合强度，并将分析处理之后的信号数据传输至显示设备，

在一个有利实施例中，其中所述显示设备接收光信号，用于在显示屏上实时呈现分析模块处理传输来的小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度，

在一个有利实施例中，其中所述反馈模块用于判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活、相位相干性以及心脑耦合强度是否超出正常范围，对气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。

在一个有利实施例中，对多次训练的参数结果进行分析比对，存储入所述存储模块，并且其中所述用于存储多次训练的参数，以便于评价长周期气动循环训练的康复效果。

本发明还提供一种心脑耦合导向的气动循环训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)患者接受气动循环训练，佩戴近红外设备以及动脉压测量设备，搭接气动循环设备，其中近红外设备的光源探头模板覆盖额叶、顶叶和颞叶区域；

2)步骤1)执行之后，按照预先设定的气动循环参数进行气动循环训练；

3)心脑耦合导向模块实时监测步骤2)训练过程，实时处理分析反馈三个频率段的小波幅值(WA)、小波相位相干性(WPCO)以及心脑耦合强度(CS)并通过显示设备实时呈现结果；其中，WA表征脑区激活强度指标参数，WPCO表征功能连接强度指标参数，CS表征效应连接强度指标参数；

4)反馈模块将步骤3)中所述反馈信息进行实时处理，处理后以视觉动画形式呈现在显示设备；通过判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活、相位相干性以及心脑耦合强度是否超出正常范围，对气动循环参数进行实时的自适应调整，并在显示设备上反馈给受试者。

5)一次气动循环训练结束时，显示设备显示当次训练的参数，包括但不限于心脑耦合参数和气动循环参数结果；

6)多次气动循环训练按照步骤1)-5)进行，训练结束时显示设备显示多次训练参数，包括但不限于心脑耦合参数和气动循环参数结果，对比评价康复训练效果。

本发明的有益效果是，本发明将气动循环压力康复训练与脑血氧以及动脉血压测量相结合，在康复训练的同时能对脑血氧及血压进行监测，以功能性近红外光谱成像为导向，实现评价康复训练效果等功能，并提供视觉反馈，为患者提供更加精准有效的气动循环训练方式，提高患者的康复质量和效率。

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心脑耦合导向的气动循环训练系统的构成示意图；

图2为本发明实施例的近红外光源探头布置示意图；

图3为本发明实施例的数据处理流程图；

图4为本发明实施例的反馈模块自适应调整气动循环参数的流程图；以及

图5为本发明实施例的气动循环自适应反馈界面示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

以下通过附图详细地描述根据本发明的心脑耦合导向的气动循环训练方法及系统。

图1为根据本发明的心脑耦合导向的气动循环训练系统的框图。

如图1所示，本发明的脑耦合导向的气动循环训练系统包括：气动循环设备；同步信息采集模块；分析模块；实时显示设备、反馈模块和存储模块。

气压循环设备通过对多腔气囊有顺序的反复充放气，形成对肢体和组织的循环压力，对肢体的远端到肢体的近端进行均匀有序适当的挤压。

同步信息采集模块用于采集气动循环训练时近红外光信号以及同步采集血压信号。同步信息采集模块包括：近红外光谱仪，用于采集受试者的靶向脑区及其它有关功能连接的脑血氧信号；以及血压仪，用于同步采集受试者的动脉压信号。在本文中，在气动循环正式开始时，在近红外光谱仪以及血压仪所采集的时域信号中同步标定刺激开始时刻，以保证在近红外信号以及动脉压采集过程中的气动循环开始时，即时采集到血氧以及动脉压信号的变化，这样可以方便用于比较气动循环刺激对大脑激活的影响。

近红外光谱仪的近红外探头布置：采用国际脑电图10-20/10-10系统辅助定位法，标准探头间距为30mm，近近红外信号覆盖大脑额叶、顶叶和枕叶区域的近红外光源探头模板，如图2所示，相邻的光源和探头构成一个近红外监测通道，用于实时监测气动循环过程中脑皮层的光信号时间序列，并将信号传输至分析模块。

分析模块用于处理和分析从信息采集模块同步采集到的脑血氧信号和血压信号，并将处理和分析后所得的信号数据传输至显示设备。

如图3所示，对光信号施加的处理包括：

使用修正后的Beers-Lambert定律，将光浓度信号转换为血氧浓度信号，然后使用复数域的Morlet小波对每个通道的血氧浓度信号进行连续小波变换，计算血氧信号的小波幅值，并同步计算血压和脑血氧之间的小波相位相干性和心脑耦合强度，完成信号处理，并将处理和分析之后的小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度传输至显示设备。

显示设备用于接收分析模块处理的每一通道的小波幅值WA，并在显示屏上实时呈现其数值，并且用于后续训练结束时显示训练参数。

分析模块进行光源探头空间位置对标，以所述每一通道的小波幅值WA和空间位置为基础进行空间插值计算，以实现小波幅值WA值的二维拓展；同时，计算小波相位相干性和心脑耦合强度。

本文中采用Morlet小波基函数用于连续小波分析，因为其具有最佳的时频紧凑性，小波基函数定义为：

其中

中心频率f₀＝1。

特定频率f及特定时刻t_n下，小波变换得到的复小波系数定义为w_k(t_n)：

其中，k＝1，2；n＝1，…，N；N是时间序列长度。W_k(f，t_n)表示在频率f和时刻t_n时，小波系数的振动幅度(Wavelet Amplitude，WA)：

小波幅值的值反映了原始信号在一定频率下的波动幅度，因此它可以用作描述皮层区域活动强度的能量指标。

φ_k(f，t_n)表示在频率f和时刻t_n时，小波系数的瞬时相位：

φ_k(f，t_n)＝arctan[b_k(f，t_n)/a_k(f，t_n)] (5)

小波相位相干性(Wavelet Phase Coherence，WPCO)是利用信号的相位信息来评估两个信号关联性的一种方法。由公式(5)可以得到信号的瞬时相位及两信号的瞬时相位差：

Δφ(f，t_n)＝φ₁(f，t_n)-φ₂(f，t_n) (6)

在特性频率f下，对相关参数做时域上的平均：

则小波相位相干性表达式为：

应用动态贝叶斯推理(DBI)，建立了血压与脑氧多频段相位耦合模型，从而达到计算两者耦合强度系数和传递方向系数的目的。

首先，利用连续小波变换，得到血压信号和血氧信号在任一尺度点和任一采样时间点的相位信息，对每一波段的相位信息在频率上进行平均处理，能够得到每一波段的时域相位信号。以任一波段的两个相位信号为例，构建由随机微分方程描述的两个耦合相位振荡模型

φ_i(t)＝ω_i(t)+q_i(φ_i，φ_j，t)+ξ_i(t)， (10)

其中，i≠j,i≠j，i，j＝{1，2}，ω_i(t)为固有频率参数；外部随机动力学成分ξ_i(t)为高斯白噪声；由基函数q_i(φ_i，φ_j，t)给出的确定性部分包含了自耦合和相互作用成分。

由于确定性部分的周期性，基函数可以被分解为傅里叶级数：

在实际运用中，可以将相位振荡模型解构为：

其中，

即固有频率；其余的

和φ_i，k都是傅里叶分量成分，K为傅里叶级数的最高阶数。在本文中，K＝2。此时，傅立叶分量φ_i，k充当了动态贝叶斯推论的基函数，而动态贝叶斯推论的目的就是估计出未知参数矩阵

E为噪声矩阵。

贝叶斯定理允许通过建立似然函数

，从先验概率密度p_prior(M)得到X的未知参数矩阵M的后验概率密度p_X(M|X)：

似然函数是通过噪声项随时间的随机积分得到的，负对数形式的似然函数

表示为：

其中，n＝1，2，...，N，N为相位信息序列点数，h为采样步长，φ为所求耦合关系的通道，即[φ_i，φ_j]；

φ_i，n＝(φ_i，n+1-φ_i，n)/h。假设参数矩阵M的先验概率密度服从多变量正态分布，后验概率密度亦服从多变量正态分布，因而可以通过以下公式递归地计算出S的稳定点：

其中，Ξ为密度矩阵，r为中间矩阵变量，递归的初始条件为c_k和Ξ均为零矩阵，上述递归过程的终止条件为∑(c_prior-c_post)²/c_post ²＜ε，其中ε为极小的恒量，这里的∑表示矩阵元素的求和。

上述方法基于贝叶斯理论构造似然函数，通过递归运算计算负对数似然函数的稳定点来推断出参数c_k，c_k为相位耦合模型的耦合系数矩阵，可从中提取出相应的效应连接指标。

耦合强度(Coupling Strength,CS)：以φ_i和φ_j为例，从相位振子φ_i到φ_j的耦合强度CS_i，j被定义为源于相位动态的推断参数c_k的欧几里德范数：

其中参数如式(12)中所定义，耦合强度CS_i，j表示出了振子φ_i的相位对振子φ_j的频率施加的影响量的总体估计。

将以上的小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度传输到显示模块进行显示并且还传输到反馈模块，由反馈模块来判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活、相位相干性以及心脑耦合强度是否超出正常范围，对气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。在具体实现时，可进行气动循环设备目标压强的阈值，频率等参数的设置选取，可以根据实际应用中的需要进行针对性设定。

如图4所示，反馈模块用于判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活以及心脑耦合状态是否超出正常激活范围，即脑皮层特定区域的小波幅值WA、WPCO和CS是否超出正常的范围，若低于或高于该正常范围则反馈至气动循环设备对关键参数(频率、压强)进行调整，实现气动循环参数自适应调整。

显示设备如显示屏等用于实时呈现反馈模块的反馈过程。

心脑耦合导向的气动循环训练系统还可以包括存储模块，用于存储多次训练的参数，包括但不限于所述小波幅值WA、小波相位相干性WPCO以及心脑耦合强度CS等，便于评价长周期气动循环训练的康复效果。

图5为气动循环自适应反馈界面示意图，在该界面中可以对气动循环设备的关键参数(频率、压强)进行调整，并实时显示分析模块传输来的WA、WPCO以及CS的数值，当受试者WA、WPCO或者CS值超出预定范围，图中状态栏将显示异常。

以下说明心脑耦合导向的气动循环训练方法，包括以下步骤：

1)患者接受气动循环训练，佩戴近红外设备以及动脉压测量设备，搭接气动循环设备，其中近红外设备的光源探头模板覆盖额叶、顶叶和颞叶区域；

2)步骤1)执行之后，按照预先设定的气动循环参数进行气动循环训练；

3)心脑耦合导向模块实时监测步骤2)训练过程，实时处理分析反馈三个频率段的小波幅值(WA)、小波相位相干性(WPCO)以及心脑耦合强度(CS)并通过显示设备实时呈现结果；其中，WA表征脑区激活强度指标参数，WPCO表征功能连接强度指标参数，CS表征效应连接强度指标参数；

4)反馈模块将步骤3)中所述反馈信息进行实时处理，处理后以视觉动画形式呈现在显示设备；通过判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活、相位相干性以及心脑耦合强度是否超出正常范围，对气动循环参数进行实时的自适应调整，并在显示设备上反馈给受试者。

5)一次气动循环训练结束时，显示设备显示当次训练的参数，包括但不限于心脑耦合参数和气动循环参数结果；

6)多次气动循环训练按照步骤1)-5)进行，训练结束时显示设备显示多次训练参数，包括但不限于心脑耦合参数和气动循环参数结果，对比评价康复训练效果。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解: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 (9)

1.一种心脑耦合导向的气动循环训练系统，其特征在于，包括：

气动循环设备，用于形成对肢体和组织的循环压力；

信息采集模块，用于同步采集脑血氧信号和血压信号，并将所采集的信号传输至分析模块；

分析模块，用于处理和分析从信息采集模块同步采集到的脑血氧信号和血压信号，并将处理和分析后所得的信号数据传输至显示设备；

显示设备，用于实时地呈现从分析模块传输的分析数据并且实时地呈现反馈模块的反馈过程；以及

反馈模块，用于判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域的激活以及反映脑部和心脑耦合指标参数是否有效或异常，对气动循环设备的气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。

2.根据权利要求1所述的心脑耦合导向的气动循环训练系统，其中，分析模块对同步采集到的脑血氧和血压信号进行如下处理：对脑血氧信号进行时间序列时域和频域上的小波变换以得到特定波段内时域上的小波幅值，并同步计算血压和脑血氧之间的相位相干性以及心脑耦合强度。

3.根据权利要求2所述的心脑耦合导向的气动循环训练系统，其中，由显示设备显示小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度，并且由反馈模块判断气动循环训练过程中脑皮层特定区域激活、相位相干性以及心脑耦合强度是否有效或异常。

4.根据权利要求1所述的心脑耦合导向的气动循环训练系统，其中，该气动循环训练系统还包括存储模块，用于存储多次训练的参数以评价长周期气动循环训练的康复效果。

5.根据权利要求1所述的心脑耦合导向的气动循环训练系统，其中，信息采集模块包括：近红外光谱仪，用于采集受试者的靶向脑区及其它有关功能连接的脑血氧信号；以及血压仪，用于同步采集受试者的动脉压信号。

6.根据权利要求5所述的心脑耦合导向的气动循环训练系统，其中，在气动循环设备开始进行充放气时，信息采集模块在近红外光谱仪以及血压仪的时域信号中同步标定充放气时刻，使得在充放气开始时能够即时采集到脑血氧和血压信号的变化。

7.一种心脑耦合导向的气动循环训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照预先设定的气动循环参数施加气动循环；

同步采集脑血氧信号和血压信号；

处理和分析同步采集到的脑血氧信号和血压信号，并将处理和分析后所得的信号数据进行显示；以及

判断气动循环训练过程中反映脑皮层特定区域的激活的指标参数是否有效或异常，对气动循环参数进行实时的自适应调整，直至完成一次完整的气动循环训练。

8.根据权利要求7所述的心脑耦合导向的气动循环训练方法，其中，处理和分析步骤包括实时地处理并分析反馈多个频率段内的小波幅值、小波相位相干性以及心脑耦合强度，其中小波幅值表征脑区激活强度指标参数，小波相位相干性表征功能连接强度指标参数，心脑耦合强度表征效应连接强度指标参数。

9.根据权利要求7所述的心脑耦合导向的气动循环训练方法，其中，在气动循环开始进行充放气时，在时域信号中同步标定充放气时刻，使得在充放气开始时能够即时采集到脑血氧和血压信号的变化。

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