CN116829105A - 用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统(100)，包括：输入系统(102)，该输入系统(102)用于向用户提供控制以在训练环境(104)中执行任务；以及至少一个致动器(106)或电极(106)，所述至少一个致动器(106)或电极(106)能够与用户的身体部位接触放置，以用于基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出向用户提供体感刺激。

Description

用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的 系统

技术领域

本发明总体上涉及用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统、被配置成控制用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的训练环境的控制单元、对应的计算机程序产品、以及用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的方法。

背景技术

移动或感知感觉的功能丧失(感觉运动损伤)可能会导致经受身体受损部位疼痛。这样的损伤可能由截肢、神经损伤或中风引起。所产生的疼痛本质上是神经病理性的，并且取决于病因也被称为幻肢疼痛(PLP)或中风疼痛。

已经提出了各种治疗方法来治愈PLP。一个示例是药物治疗，药物治疗旨在控制而不是治愈疾病，并且通常会带来相当大的副作用。

另一示例是外科干预技术，例如靶向肌肉神经再支配(TMR)。然而，用外科技术，例如TMR治疗的患者仍然报告PLP(T.Kuiken等人，Targeted Muscle Reinnervation，第20131732卷，Taylor&amp；Francis，2013年)。此外，外科干预可能为患者带来并发症和不便。

已经发现使用动力假体与较低的PLP发病率相关(M.Lotze等人，Nat.Neurosci.，第2卷，第6期，第501-502页，1999年6月)，然而大多数患者仍然报告PLP，并且一些患者甚至因为PLP而不能佩戴假体。

镜像疗法是PLP和类似神经病理性疼痛，例如复杂区域疼痛综合征(CPRS)的常见治疗方法。在该治疗方法中，失去一条肢体的患者将对侧仍有能力的肢体放在镜子前。这产生了缺失的肢体还在那里的视觉错觉。然后，要求患者进行反映为缺失肢体移动的移动。镜像疗法的成功率各不相同，并且此外，镜像疗法对对侧截肢者是不可能的。

因此，关于治疗由感觉运动损伤引起的疾病的系统和方法，存在改进的空间。

发明内容

鉴于现有技术的上面提及和其他的缺点，本发明的目的是提供用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的改进系统，该改进系统至少部分地减轻了现有技术的缺点。

根据本发明的第一方面，提供了用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统。

该系统包括：输入系统，该输入系统用于向用户提供控制以在训练环境中执行任务；以及至少一个致动器或电极，所述至少一个致动器或电极可以与用户的身体部位接触放置，以用于基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出向用户提供体感刺激。

用户的身体部位可能与受影响的身体部位相邻，或者在截肢者的情况下与缺失身体部位的位置相邻。此外，身体部位可以是受影响的身体部位本身，因此，例如在神经损伤或中风的情况下，可以向受影响的身体部位提供体感刺激。因此，体感刺激旨在提供至受影响的身体部位或与受影响的身体部位直接连接的身体部位或与现在缺失的身体部位的先前位置连接的身体部位。

通常，身体部位在本文中意味着除脑部之外的任何身体部位。换句话说，本文中公开的实施方式不涉及脑机接口。

受影响的身体部位应广义地解释为包括以某种方式受到感觉运动损伤影响的身体部位。例如，受影响的身体部位可能已经受到例如神经损伤或中风的影响，并且可能例如瘫痪。

由用户执行的任务可以是运动、感觉和/或感觉运动任务中的一个或更多个。例如，训练任务可以是运动任务、感觉任务和感觉运动任务的组合。训练任务也可以是运动、感觉和感觉运动任务中的一个。

本发明至少部分地基于这样的认识，响应于由用户执行的任务的结果向与受影响的身体部位相关的身体部位提供体感刺激，或者直接向用户的受影响的身体部位提供体感刺激提供了治疗由感觉运动损伤引起的疾病的有效方法。发明人意识到，通过有目的地参与受影响的感觉运动神经回路，这变得脱离疼痛处理，并且因此导致疼痛缓解。

本发明还基于这样的认识，通过本系统获得了更加用户友好并且甚至便携式的设备，其依赖于由可以放置在用户的身体部位皮肤上的致动器和/或电极提供的体感刺激。这样的便携式设备可以例如通过用例如条带、套筒或带或诸如双面粘合条的粘合物附接至用户的身体而是可穿戴的。

此外，与例如也经常具有不利副作用的药物治疗、经颅磁刺激(TMS)和外科手术相比，该系统更容易被用户使用。

训练环境是由用户使用输入系统执行任务的“空间”或“基础设施”或“框架”或“生态系统”。因此，使用输入系统，用户影响训练环境的一个或更多个元素，由此从训练环境提供输出。该输出被转换成由至少一个致动器或电极提供至用户的身体部位的体感刺激。训练环境可以是包括视频游戏的虚拟环境，但也可以是有形环境例如包括由用户使用输入系统控制的机械元素或机器人元素。

来自训练环境的输出可以直接或间接地与由用户提供至训练环境以用于执行任务的输入相关。例如，在使用例如生物反馈的情况下，输出可以与输入直接相关。作为另一示例，在反映由用户的输入对训练环境产生的结果的输出的情况下，输出可以间接地与输入相关。在这两种情况下，来自训练环境的输出基于用户在执行任务时提供的输入来确定。由至少一个致动器提供的触感输出可以形成训练环境的类似于显示器的像素的触感表示的触感表示。

在其他实施方式中，输出可以与训练环境的声音例如音乐或特殊效果相关。作为示例，输出可以与来自训练环境的视频的声音相关，其中输出与声音的强度相关，或者输出可以与音乐的节拍相关。在该实施方式中，系统可以包括麦克风以记录声音并且将其处理成适当的输出。在呈便携式设备形式的本发明的实施方式的可能实现方式中，用户可以在观看电视时佩戴至少一个致动器或电极，并且接收与电视声音相关的体感反馈。

输入系统可以包括例如键盘或鼠标或用户可以用来控制训练环境的元素的其他设备中的一个或更多个。通常，输入系统适合于给予用户对训练环境的至少一个元素的完全控制，使得用户可以在训练环境中执行任务。换句话说，输入系统向用户提供训练环境中的运动控制。

在本文中，用户可以被认为是使用该系统或方法的患者。患者可能需要感觉运动损伤康复。

在优选实施方式中，输入系统可以包括：用于从用户的身体部位收集信号的一组传感器，所述信号指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动；以及处理电路系统，所述处理电路系统被配置成操作用于对信号进行解码以推断意图运动的运动意愿(volition)解码器，并且基于解码的信号来控制训练环境的至少一个元素。如上面所讨论的，身体部位并不旨在为脑部。因此，传感器不旨在从用户的颅骨表面收集信号，从而不旨在直接从脑部指示或神经活动收集信号。传感器优选地被配置成从与受影响的身体部位相邻的身体部位收集信号，或者在截肢者的情况下从与缺失的身体部位的位置相邻的身体部位收集信号，或者从受影响的身体部位本身收集信号。

因此，该组传感器可以从与受影响的身体部位相邻或者是受影响的身体部位本身或者与缺失的身体部位相邻的用户的身体部位收集信号，所述信号指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动。

通过允许用户执行经由与用户的生物电信号一起馈送的神经肌肉模型或机器学习算法进行解码的复杂的移动，即在受影响的身体部位例如肢体的一个以上的关节中的同时运动，可以最大限度地参与运动神经回路。这样的生物电信号可以是例如来自脊髓或外周神经的肌电信号或神经电信号，而不是直接经由诸如布置在用户颅骨上或附近的电极的检测器的来自脑部的肌电信号或神经电信号。

运动控制可以借助于运动意愿解码器，独立地或结合传统的人机接口例如键盘、鼠标、触摸屏和操纵杆中的一个或更多个来实现。

因此，在一些实施方式中，运动意愿解码器可以被配置成根据诸如机器学习模型的模型来对信号进行解码并且推断由用户进行的意图运动。可以使用先前的学习数据来训练该模型。

机器学习模型可以是但不限于人工神经网络、支持向量机或k-最近邻，以及其他概率算法例如高斯混合模型或线性判别分析。对于本发明的实施方式，监督和非监督机器学习算法两者都是可想到的。

传感器可以是可布置在用户皮肤上以用于记录电信号的电极。

在其他实施方式中，传感器可以是可以植入至用户的身体中以用于记录电信号的电极。以这种方式，可以经由脑机接口提供用户对训练元素的控制。

在一些实施方式中，该系统可以有利地包括可以放置在用户的身体部位上以用于提供体感刺激的致动器和/或电极的阵列。通过提供丰富的体感刺激例如振动、压力、轻触、拉紧和触摸来最大限度地参与感觉神经回路。这有利地通过使用致动器和/或电极的阵列来提供高清晰度触感矩阵来实现。

其他类型的致动器包括压力带和/或滑动带，以及肌腱振动器。由此，运动和感觉任务可以在为正念运动和感觉参与而设计的锻炼中协调，这提供了改善的疼痛缓解，并且由于正念感觉运动参与，提供了进一步的功能益处例如改善的运动控制和感觉知觉。

在一些实施方式中，致动器和/或电极的阵列包括在触觉再现器中。

致动器阵列可以有利地向用户提供训练环境的触感表示。

可以与用户的身体部位接触放置以用于提供体感刺激的至少一个致动器或电极可以放置在用户的身体上例如放置在身体部位的皮肤表面上。

在实施方式中，用于提供体感刺激的至少一个电极可以包括可以植入至用户的身体部位中的电极。

在一些实施方式中，该系统可以包括动觉反馈设备，该动觉反馈设备被配置成基于解码的信号的结果向用户的身体提供动觉反馈。存在不同的选择来创建动觉反馈。一个选项是振动肌腱以创建所连接的肌肉移动的错觉。另一动觉反馈设备包括用于电刺激以激活本体感受纤维的电极。另一选项是对皮肤施加张力以提供动觉信息。通常，这允许提供甚至更丰富的体感刺激，从而产生改善的疼痛缓解和改善的感觉知觉。

存在各种方式来提供来自训练环境的其他反馈作为输出，以进一步改进由系统提供的康复性能。

例如，在一个实施方式中，系统可以包括用于提供来自训练环境的视觉反馈的显示器。视觉反馈可以是训练环境的视觉表示。因此，在视觉反馈中，用户可以看到通过由用户提供的输入引起的元素和对象及其移动或其他结果。

在一个实施方式中，该系统可以包括用于基于来自训练环境的其他输出向用户提供听觉反馈的音频设备。音频反馈可以用于增强训练环境中的一些动作。例如，用户输入可以导致训练环境中的结果，该结果作为例如音频信号反馈至用户。

在一个实施方式中，该系统可以包括用于基于来自训练环境的其他输出向用户提供热反馈的热设备。因此，为了进一步增强训练环境中的一些结果或动作，可以提供热反馈。

在一个实施方式中，该系统可以包括外骨骼稳定单元，该外骨骼稳定单元可以布置成稳定用户的身体部位的运动。

外骨骼稳定单元可以被供电以在执行任务时帮助用户移动身体部位。以这种方式，其他动觉反馈可以由主动移动的关节提供，而不是由一些其他动觉反馈设备提供的移动错觉。它还提供了在用户的肌肉没有接收到足够的神经驱动来致动关节时的帮助，如在例如中风和脊髓损伤的情况下的帮助。

在一个实施方式中，该系统可以包括被配置成激发、抑制和/或刺激用户脑部的脑部调节和/或脑部刺激设备。脑部调节和/或刺激设备可以被配置成在用户在训练环境中执行任务时，和/或在系统向用户提供体感刺激时提供调节或刺激动作。脑部调节和/或刺激设备可以被配置成一旦用户完成了训练环境中的任务，和/或在系统已经完成向用户提供相关联的体感刺激时提供调节或刺激动作。可以提供脑部调节和/或刺激的示例设备包括可以提供经颅电刺激(TES)的设备，例如经颅直流电刺激(tDCS)、经颅交流电刺激(tACS)、经颅随机噪声刺激(tRNS)、经颅脉冲电流刺激(tPCS)。可以提供脑部调节和/或刺激的另一示例设备是经颅磁刺激(TMS)设备。

根据本发明的第二方面，提供了控制单元，该控制单元被配置成控制用于由于感觉运动损伤而导致的功能康复和/或疼痛康复的训练环境，该控制单元被配置成：接收与用户在训练环境中执行任务相关的用户输入，该用户输入可以从被配置成向用户提供控制以用于执行任务的输入系统接收；基于用户输入控制至少一个元素以用于影响训练环境中的任务；将由所执行任务影响的训练环境的变量处理成到至少一个致动器或电极的输出，至少一个致动器或电极可以放置在用户的身体上/中以用于提供体感刺激。

处理变量的示例是训练环境中对象的位置或移动例如方向和速度、对象的密度或面积、对象的图案或形状。所述变量描述了训练环境的现状。

这样的处理变量可以由被配置成在坐标系中跟踪训练环境的元素的控制单元来计算。

在实施方式中，控制单元可以被配置成：接收由一组传感器从用户的身体部位收集的信号，所述信号指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动；对信号进行解码以由此推断意图运动；以及基于解码的信号控制至少一个元素以用于影响训练环境中的任务。

本发明的第二方面的其他效果和特征在很大程度上类似于上面关于本发明的第一方面描述的效果和特征。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质上存储有计算机程序装置，该计算机程序装置用于控制由于感觉运动损伤引起的功能和疼痛康复的训练环境，其中，该计算机程序产品包括：用于处理与在训练环境中执行任务相关的用户输入的代码，该用户输入可以从被配置成向用户提供控制以用于执行任务的输入系统接收；用于基于用户输入控制至少一个元素以用于影响训练环境中的任务的代码；以及用于将由所执行的任务影响的训练环境的变量处理成到至少一个致动器或电极的输出的代码，至少一个致动器或电极可以放置在用户的身体上/中以用于提供体感刺激。

在实施方式中，计算机程序产品可以包括：用于对由一组传感器从用户的身体部位收集的信号进行解码的代码，所述信号指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动；用于基于解码的信号控制训练环境的至少一个元素的代码；以及用于将由所执行的任务影响的训练环境的变量处理成到至少一个致动器或电极的输出的代码，至少一个致动器或电极可以放置在用户的身体部位上/中，以用于提供体感刺激。

本发明的第三方面的其他效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面和第二方面描述的效果和特征。

根据本发明的第四方面，提供了用于由于感觉运动损伤而导致的功能康复和/或疼痛康复的方法，包括：从被配置成向用户提供控制以用于在训练环境中执行任务的输入系统接收与在训练环境中执行任务相关的用户输入；基于用户输入变换训练环境的至少一个元素；以及使用至少一个致动器或电极向用户的身体部位提供体感刺激，该体感刺激基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出。

在实施方式中，该方法可以包括：从用户的身体部位收集指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动的信号；对信号进行解码以推断意图运动，基于解码的信号变换训练环境的至少一个元素；以及使用至少一个致动器或电极向用户的身体部位提供体感刺激，该体感刺激基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出。

在实施方式中，方法可以包括根据先前执行的任务的结果向用户提供难度逐渐加大的任务。

在实施方式中，该方法可以包括当用户在训练环境中执行任务时，和/或当系统向用户提供体感刺激时，向用户提供脑部调节或脑部刺激。有利地，脑部刺激提供了提供感觉反馈的手段，该感觉反馈改善了由系统提供的康复性能。此外，脑部调节有利地提供了一种调节方式，例如，降低靶向神经回路的激活阈值，以增强从训练任务中的学习，促进执行任务，并且通常提高由系统提供的康复性能的效率。

类似于其他反馈类型，脑部调节或脑部刺激可以由训练环境中的事件，例如诸如用户完成或发起任务，用户与任务环境交互例如触摸对象，或者在训练环境中执行移动，或者训练环境中影响已执行或将要执行的任务的更外围的事件部分，例如训练环境中的背景项目或声音触发。在一些实现方式中，脑部调节/刺激的位置可以根据特定的任务类型来改变，例如取决于任务是运动、感觉还是感觉运动。此外，可以相应地打开/关闭脑部调节/刺激，以促进和/或抑制神经回路的激活。

在一些实现方式中，可以与在训练环境中执行任务并行地提供脑部调节和/或脑部刺激。在这种情况下，脑部调节和/或脑部刺激是独立于训练环境中的事件或动作提供的，并且因此不是由这样的事件触发的。

在实施方式中，该方法可以包括一旦用户在训练环境中完成执行任务，以及/或者响应于已经向用户提供了体感刺激，向用户提供脑部调节或脑部刺激。

在实施方式中，该方法可以包括在用户在训练环境中执行任务之前，以及/或者响应于已经向用户提供了体感刺激，提供脑部调节或脑部刺激。

在实施方式中，可以独立于由用户在训练环境中执行的任务向用户提供脑部调节或脑部刺激。因此，可以独立于特定任务使用脑部调节或刺激。例如，脑部调节或刺激可以在开始之前打开，并且在各种训练任务例如感觉、运动和/或感觉运动期间和之间保持激活，并且甚至在整个训练会话完成后保持开，而不被特定任务触发。纯粹作为示例，训练会话可以包括：启动诸如tDCS的脑部调节/刺激作为脑部刺激，在诸如20分钟的持续时间内执行运动训练/任务，随后，在诸如20分钟的持续时间内执行感觉训练/任务，随后，在诸如30分钟的持续时间内执行感觉运动训练/任务，随后，停止脑部调节/刺激例如tDCS。

可以提供脑部调节和/或刺激的示例设备包括tDCS、tACS、tRNS、tPCS、TMS、TES或类似物。

本发明的第四方面的其他效果和特征在很大程度上类似于以上结合本发明的第一方面、第二方面和第三方面所描述的效果和特征。

根据本发明的第五方面，提供了用于控制感觉运动损伤康复系统的方法，包括：从被配置成向用户提供控制以用于在训练环境中执行任务的输入系统接收与在训练环境中执行任务相关的用户输入；基于用户输入变换训练环境的至少一个元素；以及使用至少一个致动器或电极向用户的身体部位提供体感刺激，该体感刺激基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出。

本发明的第五方面的其他效果和特征在很大程度上类似于以上结合本发明的第一方面、第二方面和第三方面和第四方面所描述的效果和特征。

在研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得明显。技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将本发明的不同特征进行组合以创建除了在下面描述的那些实施方式之外的实施方式。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：

图1是根据本发明的实施方式的用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统的框图；

图2概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统；

图3是在根据本发明的实施方式的系统中创建运动意愿输入的功能框图；

图4是根据本发明的实施方式的可以提供至系统的用户的各种类型的感觉反馈的框图；

图5是示出根据本发明的实施方式的系统概览的框图；

图6概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统；

图7示出了根据本发明的实施方式的训练环境和对应的感觉反馈的示例；

图8示出了根据本发明的实施方式的训练环境和对应的感觉反馈的示例；

图9示出了根据本发明的实施方式的训练环境和对应的感觉反馈的示例；

图10A概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统；

图10B概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统；

图10C概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统；

图10D概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统；

图11A概念性地示出了使用根据本发明的实施方式的系统的用户；

图11B概念性地示出了根据本发明的实施方式的外骨骼单元；

图11C概念性地示出了根据本发明的实施方式的外骨骼单元；

图12概念性地示出了使用根据本发明的实施方式的系统的用户；

图13概念性地示出了使用根据本发明的实施方式的系统的用户；

图14是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图；

图15是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图；

图16是具有对应的用户控制的类型和反馈的任务的不同难度水平的表；

图17示意性地示出了具有逐渐增加的难度水平的游戏的示例；

图18A是示意性地示出难度水平如何与作为反馈提供至用户的各种类型的输出相关的框图；

图18B是示意性地示出难度水平如何与作为反馈提供至用户的各种类型的输出相关的框图；

图18C是示意性地示出难度水平如何与作为反馈提供至用户的各种类型的输出相关的框图；

图18D是示意性地示出难度水平如何与作为反馈提供至用户的各种类型的输出相关的框图；

图18E是示意性地示出难度水平如何与作为反馈提供至用户的各种类型的输出相关的框图；

图19A概念性地示出了根据本发明的实施方式的触觉反馈装置；以及

图19B概念性地示出了附接至用户的身体部位的触觉反馈装置。

具体实施方式

在本详细描述中，在本文中参考具体实现方式描述了本发明的各种实施方式。在描述实施方式时，为了清楚起见，使用特定术语。然而，本发明并不旨在限于如此选择的特定术语。尽管讨论了具体的示例性实施方式，但是应当理解，这样做仅仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用其他部件和配置。

图1是根据本发明的实施方式的用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统100的框图。系统100包括输入系统102，以用于向用户提供控制以在训练环境104中执行任务。

系统100还包括至少一个致动器106或电极106，所述至少一个致动器106或电极106可以与用户的身体部位接触放置，以用于基于与所执行任务相关的来自训练环境104的输出向用户提供体感刺激。

输入系统102使得用户能够向训练环境提供输入信号，以控制训练环境的元素来解决任务。根据所执行的任务，由诸如控制单元108的处理电路系统来处理输入信号。根据处理的结果，即，所执行的任务的结果，将对应的输出信号提供至至少一个致动器106或电极106。输出由至少一个致动器106或电极106转换成体感刺激。

输入系统102将运动控制提供至训练环境104中的用户。存在可以应用于本发明的实施方式的几种可想到的输入系统，示例输入系统包括运动意愿编码器和诸如键盘、鼠标、触摸屏和操纵杆的人机接口。

图2概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统200。系统200包括输入系统，该输入系统包括用于从用户的身体部位101收集信号的一组传感器202。所述信号指示受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动，其中意图运动旨在用于在训练环境104中执行任务，如结合图1所讨论的。此外，处理电路系统，例如控制单元204被配置成操作运动意愿解码器以对信号进行解码来推断意图运动，并且基于解码的信号控制训练环境104的至少一个元素。换句话说，处理电路系统能够无线地或经由线接收由传感器202记录的信号，对信号进行解码以推断用户意图用受影响或缺失的身体部位执行的运动。

有利地，运动意愿解码器允许用户控制特定任务，同时主要经由例如至少一个致动器106或电极106通过触觉反馈向用户提供与该任务相关的感觉反馈。换句话说，运动意愿解码器向训练环境提供输入，而例如触觉致动器构成其输出。为此，该系统包括由图2中的204和108表示的电子接口，包括被配置成将由用户提供至训练环境的输入转换成由当前执行的任务影响的输出的运动解码器。以这种方式，用户的运动意愿被转换成影响正在执行任务的训练环境的输入，并且将输入的结果反馈至用户。换句话说，通过将训练环境中的变量的状态转换成至反馈致动器或电极的输出来产生反馈。

传感器优选地是可以布置在用户皮肤上，以用于记录电信号，所谓的肌电信号的电极。然而，在一些实施方式中，传感器可以是可植入至用户体内以用于记录电信号的电极。

可想到的其他传感器包括形成所谓的压力图或惯性测量信号的压力传感器。

由处理电路系统操作的运动意愿解码器有利地被配置成根据先前训练的模型对信号进行解码并且推断用户的意图运动。这将参照图3更详细地讨论。

图3是在根据本发明的实施方式的系统200中创建运动意愿输入的功能框图。传感器202从身体部位101收集，例如生物电信号例如EMG、或压力图或惯性测量。采集和数字化电子设备204接收所收集的信号并且对所收集的信号进行采样，并且将经滤波和数字化的信号提供至此处包括在204中的运动解码器，运动解码器可以操作以根据先前训练的模型对信号进行解码并且推断用户的意图运动。处理解码的结果，使得基于解码的信号来控制训练环境104的至少一个元素。

关于传感器，在肌电(EMG)信号的情况下，可以将传统的无源和/或有源表面电极施加至用户的皮肤表面，以便捕获由肌肉收缩生成的电活动。多个电极可以一起使用，以创建如机器学习方法中所使用的用于同时记录的阵列。

另外，如果连接器与采集电子设备之间具有基本且安全的兼容性，则可以另外采集来自侵入源，即植入电极的肌电信号和神经电信号。

在压力信号的情况下，力敏电阻(FSR)传感器矩阵可以施加至用户的皮肤表面，以便捕获由肌肉收缩生成的压力分布模式。

在惯性信号的情况下，包括加速度计、陀螺仪和磁力计的惯性测量单元(IMU)可以施加至用户的目标身体部位，以便捕获由平移和旋转生成的运动活动。IMU可以直接施加在用户的皮肤上和/或佩戴在目标身体部位上的松紧带内。多个电极可以一起使用，以创建用于同时记录的联合图，如通常在神经肌肉建模和机器学习方法中使用的。

根据要采集的信号的性质，采集和数字化电子设备可以包括合适的模拟滤波。滤波器可以包括用于DC和伪影抑制的传统高通、用于电力线噪声抑制的陷波以及用于平滑和抗混叠目的的低通。另外，可以应用自适应滤波解决方案。根据手头的实现方式，滤波器可以包括基本RC部件以及低噪声运算放大器。模拟滤波部分还可以并入能够向用户和电子设备提供基本电气安全的部件，例如用于阻挡往/来用户的静电放电(ESD)事件的二极管、用于阻挡流向用户的直流电流的电容器、以及用于限制流向用户的任何泄漏电流的电阻器和电容器。

此外，可以包括信号放大器，以实现与要采集的信号的合适接口。放大器的设计和配置取决于目标信号的性质。放大器可以例如独立使用或组合使用，以适应使用中的电极和传感器。例如，可以使用单极和/或双极放大器。如果硬件差分采集(即，双极放大器)不可用，如果认为足以实现本实现方式，则可以实现软件差分解决方案。

当需要多通道采集时，这可以例如经由每个通道的专用放大器或经由对单个放大器进行时分复用来实现。集成模拟前端解决方案是优选的；然而，当需要更高的参数定制时，任何其他定制解决方案也是可能的。诸如增益、动态范围和带宽的参数适合于感兴趣的信号和所包括的采样和数字化电子设备的模块。

在表面EMG信号的情况下，专用参考电极通常施加在身体的电中性部位(例如，像手腕或肘关节这样的骨点)上。对于侵入性EMG信号，参考可以在植入电极上或在表面电极上。

在压力信号的情况下，传感器的FSR矩阵通常参考电子设备的地，并且不需要额外的施加电极。这同样也适用于惯性信号。

模数转换器(ADC)和中央处理单元(CPU)，即，处理电路系统，优选地用于完成感兴趣的信号的数字化。该步骤允许以下软件模块处理数据并且最终推断用户的运动意愿。ADC可以包括在CPU中，也可以不包括在CPU中。在后一种情况下，ADC与CPU接口，以用于经由传统串行协议例如SPI、USART和I2C或定制串行协议进行信号读出。在ADC中，参数例如分辨率和采样频率适合于用于手头的实现方式的感兴趣的信号。在EMG信号的情况下，高于或等于16位的分辨率是优选的。经由奈奎斯特定理，采样频率与[0÷1000]Hz的典型感兴趣的带宽相匹配。可以使用过采样、噪声整形和抽取技术来提高测量的准确性。

在压力信号和惯性信号的情况下，对分辨率和采样频率的要求较低，其中高于或等于12位的分辨率和高于或等于150Hz的频率通常是适当的。

类似地，对于放大器模块，集成模拟前端解决方案是优选的。在这样的情况下，放大和数字化阶段都可以由能够与外部设备通信的单个集成芯片来处理。该芯片随后与CPU接口，以用于参数校准和信号读出。

解码器接收来自采集和数字化电子设备的采样和处理信号。在解码器中，机器学习或概率方法，特别是模式识别和回归算法，被应用于根据EMG信号、压力信号和惯性信号对运动意图进行解码。这样的方法的主要假设是，每一个移动，无论是来自完整的还是来自“幻影”的肢体，的特征在于可以由一组特征描述的可再现的肌肉收缩。特征将每个移动表示为特征空间中不同的聚类，便于算法的解码任务。

应当理解，这些特征和从用户记录的实际信号之间的电物理有意义的关系不是必要的或相关的，只要它被证明对于一致的解码是足够稳健的。所述特征可以在时域、频域和时频域中限定。所述特征的一些示例包括：平均绝对值、过零、波形长度、斜率变化、中值、方差、标准差、相关性、协方差、自回归系数、小波系数、均方根、幂、最大分形长度、分形维数、熵、威尔逊幅度、幅度平均值。这些特征都可以独立使用或组合使用，以适应经处理的信号和/或用户。

所述特征是从记录信号的时间片段(即，时间窗口)中提取的，所述时间片段的长度通常可以从50毫秒变化至250毫秒。另外，可以使用相邻时间窗口之间的交叠。

解码输出可以是离散的(例如，分类、模式识别算法)或连续的(例如，回归算法)。解码算法可以被分类为监督的和非监督的，这取决于其是否需要预先标记的数据作为训练样本，并且两者都可以受到统计学(例如，朴素贝叶斯、线性判别分析)、逻辑学(例如，决策树)、生物学(例如，人工神经网络)和几何学(例如，支持向量机)的启发。对于分类任务，为单个和/或多个类别配置单个和/或多个解码算法，构成不同的算法拓扑，例如单个移动、作为个体的所有移动、混合的激动拮抗剂(ago-antagonist-mixed)、一对所有、一对一和所有与一。根据所使用的拓扑，解码输出允许单独和/或同时运动。在同时运动的情况下，可以与用户的多个意图(例如，弯曲肘部和合上手)同时一致地操作多个自由度。

神经肌肉骨骼模型也可以用于根据所记录的肌肉收缩估计人体运动学，还可选地结合惯性和其他感觉测量。对于这些方法，预测目标被设置在要达到的预期关节角度上，而不是要执行的无论哪个特定移动上。神经肌肉骨骼模型可以直接根据EMG信号或运动单位放电率进行操作，运动单位放电率有时是根据EMG估计的。在这两种情况下，都需要感兴趣的身体部位的精确运动学模型。

解码输出流可以被进一步处理以滤除潜在的错误预测。对于这个范围，使用后预测算法例如多数投票缓冲器、基于速度的决策斜坡、滤波和平滑。

在解码输出的稳健性和正确性之后，下一优先级设置在这些输出与用户部署的实际肌肉收缩水平的比例上。能够生成比例运动控制输出可以有利于这样的人机接口的实施方式。比例可以固有地来自回归方法，或者可以通过与最小和最大强度(或速度)的已知参考值进行比较来计算，或者可以通过专用于该任务的另一机器学习算法来预测。

通过运动意愿解码器实现的运动控制也可以独立地或结合传统的人机接口例如键盘、鼠标、触摸屏和操纵杆使用。

图4是根据本发明的实施方式的可以提供至系统的用户的各种类型的感觉反馈的概览。从训练环境提供输出信号，输出信号直接或间接地与由用户提供至训练环境以执行任务的输入相关。输出信号使驱动电子设备经由一个或更多个反馈设备向用户提供反馈。

因此，可以使用多于一个反馈设备向用户提供感觉反馈，其中由多于一个反馈设备提供的感觉反馈或体感反馈基于来自训练环境的输出。因此，由用户输入直接或间接引起的训练环境中的结果可以由控制单元转换成经由一个以上的反馈设备对用户的体感和/或感觉反馈，如图4中概念性地示出的，其中举例说明了几种类型的反馈设备，包括热反馈设备、触觉反馈设备、视觉反馈设备和听觉反馈设备。

例如，该系统可以包括可以放置在用户的身体部位上以用于提供体感刺激的致动器和/或电极的阵列。这样的致动器和电极对应于用于提供触觉反馈的设备。例如，致动器和/或电极的阵列可以是触觉再现器。

触觉反馈可以被提供为触感和电触感刺激组合。致动器刺激身体部位的机械感受器，而电极刺激在身体部位产生远端涉及的感觉的神经。

此外，用于提供体感刺激的至少一个电极可以包括可植入至用户的身体部位中的电极，例如可植入神经刺激器。

根据本发明的实施方式，触感反馈可以有利地以一种以上的方式提供，因为不同的机构激活不同的触感感觉。这些是通过激活不同的机械感受器来激活的。

根据本发明的实施方式，一种这样的机械感受器是由例如以下各项激活的迈斯纳小体：超声波、由例如阵列中的磁致动器创建的触感点、声学/弹性体/铁流体显示器、电介质弹性体致动器、压力阀致动器、电触感显示器或任何其他将点施加至皮肤的机构。例如，放置在阵列中以形成触感点阵列的致动器创建触感/触觉再现器。该显示器靠着身体部位(即，被训练的身体部位)的皮肤放置。显示器可以用于描绘游戏的对象或像素。振动可以用来提醒玩家游戏中的事件。

这样的致动器可以以各种方式实现，其中一个可想到的实现方式是借助于磁致动器阵列，其中每个触感点例如每个致动器包括具有磁芯的线圈。通过致动线圈，磁芯移动进出线圈，从而在磁芯接触用户的身体部位的皮肤时创建触感点。

根据本发明的实施方式，一个这样的机械感受器是由例如对低频的振动致动器激活的墨式触觉盘。

根据本发明的实施方式，一个这样的机械感受器是帕西尼式小体，帕西尼式小体由例如对高频的振动致动器和由例如马达、带、滑轮、气动装置或液压装置生成的压力激活。

根据本发明的实施方式，一个这样的机械感受器是由例如滑动致动器例如滑块或气流激活的毛囊丛。例如，缠绕在手臂周围的绳或细绳在细绳的端部中的每一个上附接至连续伺服电机。通过在相同方向上致动两个伺服电机，实现了滑动感(毛囊丛)。在绳中添加例如结或其他固定元件例如球或珍珠或类似物，有助于识别细绳的轴上的单个位置的可能性。通过在相反的方向上致动两个伺服电机，实现了压力感(帕西尼式小体)。训练环境的游戏内应用可以是将滑块之一的位置与另一滑块的位置匹配，或者指示两个游戏内元素彼此比较的位置。

根据本发明的实施方式，一个这样的机械感受器是由例如拉伸或拉紧皮肤的机构激活的鲁斐尼氏末梢。例如，在肌肉纤维的方向上放置在皮肤顶部的绳或细绳，在一侧连接至伺服电机，并且在另一侧连接至固定点。通过致动伺服电机，绳被收紧，创建皮肤拉伸感(鲁斐尼氏末梢)，创建本体感受的错觉，即，交替的关节配置。训练环境的游戏内应用可以是模拟例如竞速游戏中身体上的重力，或者指示对象的方向。

躯体感觉也可以经由电刺激来提供。电刺激的使用可以经由非侵入性(例如，皮肤电极)和侵入性(例如，植入电极)解决方案两者来实现。对于两个类型，可以经由神经刺激(例如，导致在身体更远端定位的部位感知的感觉的在近端位置的刺激)引发远端涉及的感觉。

在一些可能的实现方式中，该系统包括用于提供来自训练环境的视觉反馈的显示器。这样的显示器可以是桌面显示器、诸如移动电话或平板电脑或智能手表的智能设备、笔记本电脑、计算机显示器、头戴式显示器等。视觉反馈有利地提供了显示训练/康复任务(例如，游戏或锻炼)以及用户的运动意愿的结果(例如，实时或其他方式的运动命令)。它还可以用来监控训练的进度。

此外，该系统可以包括用于基于来自训练环境的其他输出向用户提供听觉反馈的音频设备。这样的音频设备可以是例如扬声器、耳机、耳塞、骨传导设备等。听觉反馈可以用于通过训练的主要或补充指导。

听觉反馈可以基于训练环境中的当前交互进行调节，或者可以是游戏中的特殊效果以刺激参与。它还可以通过口头解释用户要执行的任务来接管视觉或体感反馈的功能。音频反馈可以用于提供为训练给予指导与刺激用户之间的组合。

此外，该系统可以包括用于基于来自训练环境的其他输出向用户提供热反馈的热设备。热反馈涉及两种类型的感觉——温暖和寒冷。对于热的感觉，一个选项是应用激光或光源。珀尔贴元件是温暖和寒冷感觉两者的替选选项。热流体是对表面施加热或冷感觉的另一选项。

该系统可以包括动觉反馈设备，该动觉反馈设备被配置成基于解码的信号的结果向用户的身体提供动觉反馈，所谓的触感本体感受。动觉反馈可以用来训练本体感觉。可以根据输入EMG信号给出本体感受反馈。这对于例如肌肉激活有困难、不能弯曲关节、肌肉太弱或已经截肢的用户来说可能是有利有用的。当发送运动信号，但用户不能弯曲关节时，动觉反馈可以用作用户激活正确信号的替选确认。没有必要将动觉连接至输入EMG信号，它可以是独立于输入EMG信号的单独反馈元素。创建肌肉移动的感觉可以用于一些游戏或训练目的。

可想到的用于提供动觉反馈的设备包括肌腱振动器，并且创建连接肌肉移动的错觉。电刺激以激活本体感受纤维也是一个选项。另一进一步可能的实现方式是对皮肤施加张力以提供动觉信息。除了创建移动错觉以外，替选选项是用例如主动外骨骼主动移动关节。

图5是示出根据本发明的实施方式的系统概览的框图。在输入侧，示意性地表示各种输入系统例如记录肌肉移动的系统、键盘、鼠标、触摸屏、游戏控制器和语音系统。这些输入系统中的一个或更多个可以用于本发明的实施方式中。

输入系统连接至参照图3描述的电子接口，包括采集和数字化电子设备以及解码器。在训练环境的输出侧，驱动电子设备控制如关于图4所讨论的一组反馈系统中的一个或更多个，包括听觉反馈、视觉反馈、触觉反馈和热反馈中的至少一个。

在一些实施方式中，如在图5中的系统的输出侧上所指示的，系统还被配置成向用户的脑部提供脑部调节信号和/或脑部刺激信号。这允许在训练环境中执行任务时、在执行任务之前或在任务完成之后激发、抑制以及/或者刺激用户的脑部。脑部调节和/或刺激可以经由驱动电子设备由训练环境中的事件触发。然而，在其他实现方式中，调节和/或刺激可以独立于训练环境中的事件来提供，并且在这样的情况下，可以由其自身的驱动电子设备，独立于控制其他反馈系统中的一个或更多个的驱动电子设备操作。

图6概念性地示出了根据本发明的实施方式的系统600。系统600包括一组传感器，一组传感器优选地以电极602的形式，可以布置在用户皮肤表面上，在此在肢体604上。电极602收集指示与放置电极602的身体部位604相邻的受影响的肢体606的意图运动的信号。受影响的肢体606由于感觉运动损伤而受到影响。例如，受影响的肢体606可以是瘫痪的肢体。

所收集的信号由处理电路系统608处理，以使用运动意愿解码器对所收集的信号进行解码，该运动意愿解码器可操作以推断受影响的肢体606的意图运动。处理电路系统608将由电极618收集的信号转换成训练环境610中元素的移动，此处以在电子设备612上玩游戏的形式示出，该电子设备612包括显示器614以可视地表示游戏。

此外，系统600包括可以放置在用户的身体部位上以用于提供体感刺激的致动器和/或电极的阵列616。例如，阵列616可以是触觉再现器，其中致动器618(仅一个被编号)中的每一个可以在用户的身体部位604的皮肤上施加压力。由触觉再现器施加在用户的皮肤上的压力模式表示来自训练环境的输出，例如游戏的当前状态。因此，处理电路系统将意图运动转换成对训练环境的输入，其中输入被变换成至触觉再现器的输出，其中变换取决于所执行的任务和任务的类型。由包括致动器618的触觉再现器施加在用户的皮肤上的压力模式可以对应于显示器614的像素值。因此，示出在显示器上的元素的位置可以由触觉再现器中的一个或更多个压力点来表示。

触觉再现器616优选地牢固地附接至用户的身体部位604，以提供有效的体感刺激。

在图6的上述描述中，致动器618向与受影响的身体部位606相邻的身体部位604提供体感刺激。然而，根据治疗的类型，体感刺激可以施加至受影响的身体部位本身，并且传感器618可以从受影响的身体部位收集信号。这可以例如是中风治疗的情况。因此，身体部位604可以是受影响的身体部位，由此用于收集指示受影响的肢体的意图运动的信号的电极602被放置在受影响的身体部位上。此外，致动器和/或电极的阵列616可以放置在用户的受影响的身体部位上，以用于向受影响的身体部位提供体感刺激。

图7是呈游戏形式的训练环境702的示例，该游戏可以是用户康复计划的一部分。可以放置在用户的身体部位706上以用于提供体感刺激的致动器和/或电极的阵列704示出了将训练环境转换成触觉反馈刺激。此处，游戏的可移动砖块708由被激活的填充致动器710表示，例如致动器710表示砖块708。空位置例如训练环境704中的位置712由空致动器714表示，空致动器714是未激活的致动器。用户使用输入系统例如由受影响的身体部位的意图运动控制的系统来控制砖块的运动，例如此处砖块716被向右移动。一旦由用户提供的输入影响砖块716向右移动至位置712中，就使触觉再现器704去激活致动器718并且激活表示砖块716的新位置的致动器714。滑块720提供表示砖块716的运动的触觉反馈。

图8是呈游戏形式的训练环境802的另一示例，该游戏可以是用户康复计划的一部分。可以放置在用户的身体部位706上以用于提供体感刺激的致动器和/或电极的阵列704示出了将训练环境转换成触觉反馈刺激。

用户经由输入系统控制元素804的运动来向左和向右移动以捕获“球”806。元素804的运动和位置通过由滑块720提供的触觉反馈表示。球806在训练环境802中的当前位置由激活的致动器或电极722表示。用户试图通过使用可移动元素804偏转或射击球击落的条带808由激活的致动器或电极724表示。一旦球击中条带808，条带808就消失，并且对应的致动器或电极被去激活。“球”806的移动也可以由显示器顶部的另一滑块723来表示，因此底部滑块720表示可移动元素804的位置，并且顶部滑块表示“球”806的位置。

图9是呈游戏形式的训练环境902的另一示例，该游戏可以是用户康复计划的一部分。在该示例中，用户经由例如由如上所讨论的肌肉移动控制的输入系统沿训练环境902中的轨道控制赛车904。表示赛车在轨道上的位置和转向运动的触觉反馈经由致动器和/或电极的阵列704以及适合于拉伸或拉紧皮肤的拉伸设备730反馈至用户，以表示例如方向盘转动的程度或轨道的曲率。

在图7至图9中示出的示例中，在视觉和/或触觉再现器上示出训练环境。

训练环境的示例变量是例如图7至图9中描述的例如“球”、砖块和元素的位置、移动、大小和存在。当变量响应于用户输入例如砖块716被移动、或者球806移动或被偏转、或者条带8被移除、或者方向盘被转动而改变时，生成输出并且将输出以包括体感反馈的感觉反馈的形式提供至用户。

当例如在训练环境中移动对象时提供至用户的体感反馈是与输入直接相关的输出的一个示例，这可以是例如生物反馈。

与用户输入的结果相关的输出例如元素的移除或球的移动是与输入间接相关的输出的示例。

图10A示出了根据本发明的实施方式的系统1000，其中示意性地示出了一组不同的输出反馈系统。系统1000包括结合图6讨论的电极602、处理电路系统608和致动器618和/或电极的阵列616。

另外，该系统包括用于提供听觉反馈的音频设备1002、触觉滑块1004和肌腱振动器1006。

来自任务的训练环境610的变量被转换成通知用户其状态的输出。该转换可以包括但不限于触觉、视觉、听觉或热表示，例如：使用触感致动器618表示位置和力，经由触觉滑块1004或肌腱振动器1006，和/或与任务对象接触和/或动作的振动设备表示任务对象的水平、垂直或横向移动。

输入/输出转换的正确定时和一致性是促进感觉运动训练必要的，因此任何转换时间都低于已知的人类可感知延迟时间，即，大约或低于250毫秒。

触觉反馈可以被提供为如图10B所示的触感和电触感刺激组合。在图10B中，一组电极202用于收集来自用户的身体部位的信号，此处在前臂1001上的信号。所收集的肌电信号可以指示手1003中关节的意图运动，并且为用户提供训练环境1007的控制元素。例如，当在电子设备1012上玩游戏时，经由意图运动，用户可以控制杆1008的水平位置以用于捕获球1010，电子设备1012也经由显示器1014提供视觉反馈。此处，训练环境中的任务是使球1010从杆1008朝向砖块1016偏转，以在球击中砖块时将它们移除。

此外，作为来自训练环境的输出，例如确认砖块1016被成功移除或者球1010偏离杆1008，即，当杆1008被用户成功移动使得移动的球1010被捕获时，机械致动器1020刺激身体部位——此处是手指——的机械感受器，同时电极1022刺激在指尖中产生远端涉及的感觉的神经。此外，处理电路系统204被配置成操作运动意愿解码器以对信号进行解码来推断意图运动，并且基于解码的信号控制训练环境1014的至少一个元素1008。换句话说，处理电路系统能够无线地或经由线接收由传感器202记录的信号，对信号进行解码以推断用户意图用受影响或缺失的身体部位执行的运动。

在一些可能的实现方式中，系统1000包括如图10C中概念性地示出的脑部调节和/或脑部刺激设备1030。脑部调节和/或脑部刺激设备1030被配置成响应于在用户执行任务时和/或在任务完成之前和/或任务完成之后发生的在训练环境中的事件，激发、抑制以及/或者刺激用户的脑部。脑部调节和/或脑部刺激设备1030在此被示出为连接至处理电路系统608以从其接收控制信号，所述控制信号控制从设备1030向用户的脑部提供脑部刺激或调节。以这种方式，脑部调节和/或脑部刺激设备1030可以从处理电路系统608接收指示例如训练环境中激活向用户提供脑部调节和/或脑部刺激的触发事件的触发信号。然而，在一些实施方式中，脑部刺激设备1030独立于训练环境向用户提供脑部调节和/或脑部刺激，并且在这样的情况下，脑部刺激设备1030可以与处理电路系统并行操作，如图10D中概念性地示出的。在这样的情况下，可以独立于用户在训练环境中执行的任务向用户提供脑部调节或脑部刺激。

可以提供脑部调节和/或刺激的示例设备1030包括tDCS、tACS、tRNS、tPCS、TMS、TES或类似物。这样的设备通常佩戴在用户的头骨上或放置在用户的头骨附近，以用于提供刺激或调节。

图11A概念性地示出了使用根据本发明的实施方式的系统的用户1101。系统1102包括用于收集指示受影响的肢体1104的意图运动的信号的电极1103。在该实施方式中，该系统包括外骨骼稳定单元1106，该外骨骼稳定单元1106可以被布置成稳定用户的身体部位1104的运动。处理电路系统1108接收来自电极1102的信号并对该信号进行解码。该系统还可以包括音频设备1109，当在显示器1110上示出的训练环境中执行任务时，该音频设备1109向用户1101提供听觉反馈。此处以玩的形式。听觉反馈可以增强显示器上发生的动作，例如成功移动或放置俄罗斯方块游戏的砖块。

外骨骼稳定单元1106可以被供电以在执行任务时帮助用户移动身体部位。在这样的情况下，处理电路可以被配置成根据解码的信号控制被布置成为外骨骼稳定单元1106供电的电动机。

图11B和图11C概念性地示出了两种类型的外骨骼稳定单元1106a和1106b。外骨骼稳定单元包括第一附接构件1120，该第一附接构件1120成形为适合于附接在用户的身体部位——此处是上臂1122——周围的套环。第一附接构件1120可以例如绑在用户的手臂周围。此外，外骨骼稳定单元包括附接至用户的下臂1126或围绕用户的下臂1126的两个下附接构件1124a至1124b。

现在转向图11B，图11B概念性地示出了被动外骨骼稳定单元1106b，该被动外骨骼稳定单元1106b可以布置成稳定用户的部位的运动。在该实施方式中，外骨骼稳定单元1106b包括连杆臂1128，以用于将第一附接构件1120联接至下附接构件1124a至1124b。因此，连杆臂1128连接至第一附接构件1120和下附接构件1124a至1124b。此外，连杆臂中的每一个包括接合在接头1134处的第一连杆1130和第二连杆1132，接头1134提供第一连杆与第二连杆之间的可旋转连接，使得用户可以伸展他/她的肘关节。

图11C概念性地示出了主动外骨骼稳定单元1106c，该主动外骨骼稳定单元1106c被供电以在执行任务时帮助用户移动身体部位。此处，第一连杆1130与第二连杆1132之间的接头1136设置有电动机，该电动机可以帮助用户使用他/她的肘关节。因此，接头1136可以被电致动，使得在接头1136处第一连杆1130与第二连杆1132之间的角度变化。

图12概念性地示出了使用根据本发明的实施方式的系统的用户1201。用户在这里是截肢者，因此缺少的与身体部位1203相邻的肢体是大腿。因此，用户正在使用呈游戏控制器1205形式的输入系统，以用于在桌面显示器1207上示出的训练环境中玩游戏或执行任务。还可以使用来自大腿1203中的电极1209的信号来对缺失肢体的运动意愿进行解码，以用作玩游戏的输入。可以经由与身体部位1209接触放置的电极和/或致动器1210来提供体感刺激。可以使用耳机1211来提供来自训练环境的听觉反馈。

图13概念性地示出了使用根据本发明的实施方式的系统的用户1301。用户1301具有感测电极1303，感测电极1303布置在用户背部1305上，以用于收集指示意图运动的信号，此处意图运动呈转动上半身的形式。在桌面显示器1207上提供来自训练环境的视觉反馈，并且可以经由与身体部位1305接触放置的电极和/或致动器1307提供体感刺激，以用于治疗例如背痛。

图14是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图。该方法包括从输入系统接收与在训练环境中执行任务相关的用户输入的步骤S102，该输入系统被配置成向用户提供控制以用于在训练环境中执行任务。在步骤S104中，基于用户输入变换训练环境的至少一个元素。在步骤S106中，使用至少一个致动器或电极向用户的身体部位提供体感刺激，该体感刺激基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出。

图15是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图。该方法包括从用户的身体部位收集指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动的信号的步骤S202。在步骤S204中，对信号进行解码以推断意图运动。在步骤S206中，基于解码的信号变换训练环境的至少一个元素。在步骤S208中，使用至少一个致动器或电极向用户的身体部位提供体感刺激，该体感刺激基于与所执行的任务相关的来自训练环境的输出。

该方法可以包括根据先前执行的任务的结果向用户提供难度逐渐加大的任务。这在图16和图17中示意性地示出。

本文中的康复方面依赖于神经可塑性来减轻疼痛和恢复功能。因此，本发明的使用通过适当地调整难度水平来确保用户的注意力持续投入至手头的康复任务(例如，正念练习)。正念练习已知是实现神经可塑性的必要条件。

通过治疗的进展，用户可以获得越来越困难的康复任务。最初的锻炼是纯粹的运动或感觉，并且然后是简单的闭环控制任务，在所述简单的闭环控制任务中只涉及一个移动和几种类型的感觉反馈。随着难度水平的增加，以下规则是遵循的示例：

1.体感以外的感觉反馈类型减少。这迫使用户更多地依靠体感反馈。

2.感觉刺激分辨率提高。这需要更高的感觉辨别技能来完成任务。

3.用于运动控制的要执行的移动的数量增加。这要求用户提高运动技能。

4.运动控制需要同时而不是仅单独的移动。这需要更高的运动控制技能。

5.可允许的误差幅度减小。这要求用户提供更精确的控制和更精细的感觉辨别。

上述因素1至5的组合根据用户的表现自适应地改变。图16中的表1示出了示例，在该示例中，随着难度水平从水平1增加至水平5，反馈的类型减少，而控制输入的数量增加。该表例示了反馈类型的减少，然而，并行地，触觉反馈的分辨率可以增加，以要求用户具有更高的辨别技能(未示出)。

例如，在难度水平1中，使用诸如键盘和鼠标以及触摸屏的输入系统，而完整的视觉、听觉和触觉反馈被提供为来自训练环境的输出。

在难度水平2中，使用依赖于肌肉移动例如已解码的意图运动的输入系统，其中仅需要1或2个输入，并且仅使用部分视觉和全部触觉反馈。

在难度水平3中，使用依赖于诸如已解码的意图运动的肌肉移动的输入系统，其中3至6个不同的运动被用作输入，并且仅部分视觉和全部触觉反馈作为输出被提供至用户。

在难度水平4中，使用依赖于诸如已解码的意图运动的肌肉移动的输入系统，其中7至10个不同的运动被用作输入，并且部分触觉反馈作为输出被提供至用户。

在难度水平5中，使用依赖于诸如已解码的意图运动的肌肉移动的输入系统，其中超过10个不同的运动被用作输入，并且甚至进一步减少的部分触觉反馈作为输出被提供至用户。

因此，提供难度逐渐加大的任务可以对应于从难度水平1开始并且根据用户在执行任务中的表现移动至更高的水平。

图17示意性地示出了游戏的示例，其中所有感觉类型被提供在最低难度水平(水平1)中，以及如何可以将感觉类型降低以增加难度，例如水平2至5。图18A至图18E示意性地示出了难度水平如何与作为反馈提供至用户的各种类型的输出相关。结合讨论图17和图18A至图18E。

例如，在图17和图18A的难度水平1中，键盘上的箭头键被用作输入，并且输出是听觉、全视觉反馈，并且触觉反馈由致动器的阵列、滑块、振动器和压缩带提供。

当难度进展至图17和图18B的水平2时，输入由箭头键例如用于移动加农炮的右键和左键(参见水平1中的视觉反馈)以及用于射击加农炮的运动意愿输入的组合来提供。通过移除加农炮来减少视觉反馈，其位置现在仅通过由滑块和阵列中的致动器进行的触觉反馈来提供。此外，触觉反馈由致动器的阵列、滑块、振动器和压缩带提供。

当难度进展至图17和图18C的水平3时，输入由箭头键例如移动加农炮的运动意愿和射击加农炮的向上箭头键的组合来提供。通过移除加农炮和由加农炮产生的射线来减少视觉反馈，其位置现在仅通过由滑块和阵列中的致动器进行的触觉反馈来提供。此外，触觉反馈由致动器的阵列、滑块和压缩带提供。

当难度进展至图17和图18D的水平4时，输入仅由运动意愿提供，其中不同关节中的运动意愿可以用于移动加农炮和射击加农炮。视觉反馈被移除，并且仅触觉反馈被提供为来自训练环境的输出。加农炮和射线的位置由阵列中的致动器和滑块表示。

当难度进展至图17和图18E的水平5时，输入仅由运动意愿，但是现在使用利用相同的关节的运动意愿用于移动加农炮和射击加农炮提供。作为输出，仅从训练环境提供触觉反馈。加农炮和射线的位置由阵列中的致动器表示。

本发明的实施方式以各种方式适合于主动感觉感受器，并且优选地具有尽可能少的部件。将结合描述图19A至图19B。

图19A概念性地示出了适合于围绕诸如用户的肢体的身体部位布置的示例触觉反馈装置1900，并且图19B示出了附接至用户的上臂1903的触觉反馈装置1900。触觉反馈装置1900被成形为旨在缠绕在用户的肢体周围的袖带1901或套环。

致动器1902(仅一个被编号)的阵列位于触觉反馈设备1900的内侧，即，位于袖带1901的内侧，使得触感刺激可以提供至用户的身体部位的皮肤。

此外，在袖带1901的远端上布置有相应的滑块设备1906a、1906b。现在将描述滑块设备1906a，滑块1906b包括与滑块设备1906b相同的部件。滑块1906a包括可以缠绕在肢体周围的绳或细绳1908。细绳1908的端部附接至相应的连续伺服电机1910。通过在相同方向上致动两个伺服电机1910，实现了用户的身体部位的皮肤上的滑动感(毛囊丛)。在细绳1908上添加例如在图19B中更好地看到的结1909，有助于识别细绳的轴上的单个位置的可能性。滑块设备1906b的伺服电机用1911表示。

此外，触觉反馈装置1900包括在滑块设备1906b位于的袖带1901的远端上的另一感觉反馈设备。感觉反馈设备在此呈适合于拉伸或拉紧皮肤的拉伸设备1920的形式。拉伸设备1920包括适合于附接并收紧在用户的肢体周围的套环1922或带。此外，细绳1924在一侧——此处在套环1922的一侧——连接至伺服电机1926，并且在另一侧——此处在袖带1901的一侧——连接至固定点。

通过致动伺服电机1926中的一个，相应的细绳1924被收紧，由此套环的对应侧朝向袖带1901移动，从而创建皮肤拉伸感(鲁斐尼氏末梢)，创建本体感受的错觉。

此外，在图19B中的特写视图中的一个中概念性地示出了用于提供触感点的可能实现方式。致动器1902包括具有磁芯1944的线圈1940。通过致动线圈，磁芯移动进出线圈1940，从而在磁芯接触用户的身体部位1903的皮肤1946时创建触感点。

参见图6，控制单元608可以被配置成控制训练环境610，以用于由于感觉运动损伤而导致的功能康复和/或疼痛康复，该控制单元被配置成：接收与在训练环境中用户执行任务相关的用户输入，该用户输入可以从被配置成向用户提供控制以用于执行任务的输入系统接收；基于用户输入控制至少一个元素以用于影响训练环境中的任务；将由所执行任务影响的训练环境的变量处理成到至少一个致动器618或电极的输出，至少一个致动器618或电极可以放置在用户的身体上/中以用于提供体感刺激。

控制单元可以被配置成接收由一组传感器从用户的身体部位收集的信号，所述信号指示用于在训练环境中执行任务的受影响的身体部位或缺失的身体部位的意图运动；对信号进行解码以由此推断意图运动，基于解码的信号控制至少一个元素以用于影响训练环境中的任务。

还提供了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质上存储有用于控制由于感觉运动损伤引起的功能和疼痛康复的训练环境的计算机程序装置，其中，该计算机程序产品包括：用于处理与在训练环境中执行任务相关的用户输入的代码，该用户输入可以从被配置成向用户提供控制以用于执行任务的输入系统接收；用于基于用户输入控制至少一个元素以用于影响训练环境中的任务的代码；用于将由所执行的任务影响的训练环境的变量处理成到至少一个致动器或电极的输出的代码，至少一个致动器或电极可以放置在用户的身体上/中以用于提供体感刺激。

计算机程序产品可以在控制单元608上操作。

处理电路系统或控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备。控制单元还可以包括或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在控制单元包括诸如以上提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程器件的情况下，处理器还可以包括控制可编程器件的操作的计算机可执行代码。

在一个或更多个示例中，所描述的功能可以以硬件、软件、固件或其任意组合来实现。如果以软件实现，则功能可以作为一个或更多个指令或代码在计算机可读介质上存储或者通过计算机可读介质传输并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可以包括：计算机可读存储介质，其对应于有形介质例如数据存储介质；或者通信介质，其包括有助于例如根据通信协议将计算机程序从一个地方传输至另一地方的任何介质。以这种方式，计算机可读介质通常可以对应于(1)非暂态的有形计算机可读存储介质或者(2)诸如信号或载波的通信介质。数据存储介质可以是任何可用介质，其可以由一个或更多个计算机或者一个或更多个处理器访问以检索用于实现本公开内容中所描述的技术的指令、代码和/或数据结构。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。

通过示例的方式，而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储设备、闪存或可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。

尽管已经参考本发明的具体例示实施方式描述了本发明，但是许多不同的改变、修改等对于本领域技术人员来说将变得明显。

另外，根据对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，技术人员在实践要求保护的发明时可以理解并实现所公开的实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的这一仅有事实并不指示这些措施的组合不可以被有利地使用。

Claims (26)

1.一种用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的系统(100)，包括：

用于向用户提供控制以在训练环境(104)中执行任务的输入系统(102)，所述输入系统包括：一组传感器，所述一组传感器用于从与受影响的身体部位相邻或者是所述受影响的身体部位本身或者与缺失的身体部位相邻的用户的身体部位收集信号，所述信号指示用于在所述训练环境中执行所述任务的所述受影响的身体部位或所述缺失的身体部位的意图运动；以及处理电路系统，所述处理电路系统被配置成操作运动意愿解码器以对所述信号进行解码来推断所述意图运动，

所述系统(100)还包括至少一个致动器(106)或电极(106)，所述至少一个致动器(106)或电极(106)能够被放置成与所述用户的身体部位接触，以用于基于与所执行的任务相关的来自所述训练环境的输出向所述用户提供体感刺激；

其中，所述处理电路系统被配置成基于解码的信号来控制所述训练环境的至少一个元素。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述运动意愿解码器被配置成根据模型对所述信号进行解码并且推断由所述用户进行的意图运动。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，其中，所述传感器是能够布置在用户的皮肤上以用于记录电信号的电极。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，其中，所述传感器是能够植入至所述用户的身体中以用于记录电信号的电极。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括能够放置在所述用户的身体部位上以用于提供所述体感刺激的致动器和/或电极的阵列。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述致动器的阵列向所述用户提供所述训练环境的触感表示。

7.根据权利要求4和5中任一项所述的系统，其中，所述致动器和/或电极的阵列是触觉再现器。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，用于提供所述体感刺激的所述至少一个电极包括能够植入至所述用户的身体部位中的电极。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括动觉反馈设备，所述动觉反馈设备被配置成基于解码的信号的结果向所述用户的身体提供动觉反馈。

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，来自所述训练环境的所述输出直接或间接地与由所述用户提供至所述训练环境以用于执行所述任务的输入相关。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括显示器，所述显示器用于提供来自所述训练环境的视觉反馈。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括外骨骼稳定单元，所述外骨骼稳定单元能够布置成稳定所述用户的身体部位的运动。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述外骨骼稳定单元被供电以在执行所述任务时帮助所述用户移动所述身体部位。

14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括音频设备，所述音频设备用于基于来自所述训练环境的另一输出向所述用户提供听觉反馈。

15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括热设备，所述热设备用于基于来自所述训练环境的另一输出向所述用户提供热反馈。

16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述训练环境是虚拟训练环境。

17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括脑部调节和/或脑部刺激设备，所述脑部调节和/或脑部刺激设备被配置成激发、抑制以及/或者刺激所述用户的脑部。

18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述任务是运动、感觉和/或感觉运动训练任务中的至少一个。

19.一种控制单元，所述控制单元被配置成控制用于由于感觉运动损伤引起的功能康复和/或疼痛康复的训练环境，所述控制单元被配置成：

接收由一组传感器从用户的身体部位收集的信号，所述身体部位与受影响的身体部位相邻或者是所述受影响的身体部位本身或者与缺失的身体部位相邻，所述信号指示用于在训练环境中执行任务的所述受影响的身体部位或所述缺失的身体部位的意图运动，所述用户输入能够从输入系统接收，所述输入系统包括被配置成向用户提供控制以用于执行所述任务的所述一组传感器；

对所述信号进行解码以由此推断所述意图运动；

基于解码的信号控制至少一个元素以用于影响所述训练环境中的所述任务；

将由所执行的任务影响的所述训练环境的变量处理成到至少一个致动器或电极的输出，所述至少一个致动器或电极能够放置在所述用户的身体上/放置在所述用户的身体中以用于提供体感刺激。

20.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机程序装置，所述计算机程序装置用于控制用于由于感觉运动损伤引起的功能和疼痛康复的训练环境，其中，所述计算机程序产品包括：

用于处理与在训练环境中执行任务相关的用户输入的代码，所述用户输入能够从由输入系统的一组传感器从用户的身体部位收集的信号接收，所述输入系统被配置成向用户提供控制以用于执行所述任务，所述身体部位与受影响的身体部位相邻或者是所述受影响的身体部位本身或者与缺失的身体部位相邻，所述信号指示用于在所述训练环境中执行所述任务的所述受影响的身体部位或所述缺失的身体部位的意图运动；

用于对信号进行解码以由此推断所述意图运动的代码；

用于基于解码的信号控制至少一个元素以用于影响所述训练环境中的所述任务的代码；

用于将由所执行的任务影响的所述训练环境的变量处理成到至少一个致动器或电极的输出的代码，所述至少一个致动器或电极能够放置在所述用户的身体上/放置在所述用户的身体中以用于提供体感刺激。

21.一种用于感觉运动损伤康复的方法，包括：

从输入系统接收与在训练环境中执行任务相关的用户输入，所述输入系统被配置成向用户提供控制以用于在所述训练环境中执行所述任务，其中，接收所述用户输入包括从与受影响的身体部位相邻或者是所述受影响的身体部位本身或者与缺失的身体部位相邻的用户的身体部位收集信号，所述信号指示用于在所述训练环境中执行所述任务的所述受影响的身体部位或者所述缺失的身体部位的意图运动；

对所述信号进行解码以推断所述意图运动；

基于解码的信号变换所述训练环境的至少一个元素；

使用至少一个致动器或电极向用户的身体部位提供体感刺激，所述体感刺激基于与所执行的任务相关的来自所述训练环境的输出。

22.根据权利要求21所述的方法，包括根据先前执行的任务的结果向所述用户提供难度逐渐加大的任务。

23.根据权利要求21和22中任一项所述的方法，包括：

在所述用户在所述训练环境中执行任务时向所述用户提供脑部调节或脑部刺激。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，包括：

在所述用户在所述训练环境中执行任务之前，或者一旦所述用户完成在所述训练环境中执行任务，提供脑部调节或脑部刺激。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，包括独立于由所述用户在所述训练环境中执行的所述任务向所述用户提供脑部调节或脑部刺激。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，所执行的任务是运动、感觉和/或感觉运动训练任务中的至少一个。