CN203043423U - 一种基于脑机接口的康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于脑机接口的康复训练装置，包括一体设计的康复训练装置主体，所述主体包括依次连接的信息采集装置，信息融合处理装置、反馈装置以及显示装置。本实用新型通过将MEMS柔性微传感器阵列技术与BCI脑机接口技术、多源信息融合和自适应反馈控制技术结合，实现了对手功能障碍患者主动运动意愿的激发、提取和利用，强化患者使用患肢，不仅可显著改善肢体运动功能，同时能促进皮层功能依赖区进行重组，从而扩大患肢的皮层运动支配区，为手功能障碍患者早期康复训练提供有效的工具。

Description

一种基于脑机接口的康复训练装置

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，尤其涉及的是一种基于脑机接口的康复训练装置。

背景技术

在康复领域，由脑损伤（如脑卒中、脑瘫、脑外伤、脑肿瘤等）引起的肢体瘫痪的有效治疗手段是带有生物反馈的神经功能重建康复治疗系统。该系统融合了生物反馈原理，运动再学习疗法，认知与行为疗法及运动功能恢复的神经电生理基础理论。其工作原理是，通过检测待康复部位的运动诱发肌电（EMG）信号，以此作为反馈通道，将此肌电信号的幅值与可调的刺激阈值进行比较，以此判定患者大脑皮层的动作意识；当肌电信号强度超过阈值时，治疗系统将发出电刺激脉冲对被测部位的肌肉实施一次强制收缩，以鼓励患者对此动作意识所做的努力。伴随着患者大脑皮层意识活动的不断增强及待康复部位肌肉活动能力的不断恢复，肌电阈值也会自适应提高，如此反复地训练，可使患者的神经肌肉系统不断康复，并达到能自主控制肌肉动作的能力。

这种传统的肌电反馈治疗系统能有效地指导患者，并直观地反映患者的行为意识，尤其是针对上下肢体运动障碍的偏瘫患者，给其以强烈的康复自信心，极大地提高了治疗和康复效果。然而，对于手功能（如书写、签字）等较为精巧的运动功能的康复，肌电反馈只能起到初级的康复水平，即由不能动作到能控制动作，或粗略地控制动作的范围。如果要让患者能恢复到先前的娴熟运动机能，只靠肌电信号作为反馈信息是远远不够的，还需要反映动作结果的力度和位移来提供更细致的反馈信息，同时还需要关注大脑意识与行为的同步协调性。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于脑机接口的康复训练装置，实现对手功能障碍患者主动运动意愿的激发、提取和利用，强化患者使用患肢，改善肢体运动功能。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于脑机接口的康复训练装置，其中，包括一体设计的康复训练装置主体，所述主体包括依次连接的信息采集装置，信息融合处理装置、反馈装置以及显示装置；其中，

所述信息采集装置用于采集用户的脑电信息、手指运动信息以及肌电信息，并将所述脑电信息、手指运动信息以及肌电信息发送至信息融合处理装置；

所述信息融合处理装置用于根据脑电信息、手指运动信息和肌电信息，分别得出用户脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况，并根据所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度向反馈装置发送相应的反馈信号；

所述反馈装置用于根据所述反馈信号，向用户呈现模拟训练状态的反馈信息，并当手指运动状况和肌肉收缩状况以及脑部意识活动状况与预定目标的接近程度达到一阈值时施加协助用户手指运动的肌电刺激脉冲，刺激用户收缩肌肉并移动手指；

所述显示装置用于通过实时的模拟画面显示所述反馈信息。

所述的基于脑机接口的康复训练装置，其中，所述信息采集装置还包括：用于采集脑电信息的脑机接口、用于采集手指运动信息的传感器阵列、以及用于采集肌电信息的肌电信息采集装置。

所述的基于脑机接口的康复训练装置，其中，所述脑部意识活动况包括由大脑指挥手指运动以及肌肉收缩所产生的脑电波信号强度，所述手指运动状况包括手指运动位移和力度，所述肌肉收缩状况包括肌电信号强度。

所述的基于脑机接口的康复训练装置，其中，所述反馈信息包括图形化游戏或者声音或者电刺激信号。

所述的基于脑机接口的康复训练装置，其中，所述反馈装置还包括用于当所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度达到一阀值时，以训练得分或者给予肌肉电刺激的形式来奖励用户训练的激励装置。

所述的基于脑机接口的康复训练装置，其中，脑机接口包括数个检测通道，所述传感器阵列也包括用于检测不同手指位置的运动信息的数个传感器。

本实用新型所提供的基于脑机接口的康复训练装置，通过将MEMS柔性微传感器阵列技术与BCI脑机接口技术、多源信息融合和自适应生物反馈控制技术结合，实现对手功能障碍患者主动运动意愿的激发、提取和利用，强化患者使用患肢，不仅可显著改善肢体运动功能，同时能促进皮层功能依赖区进行重组，从而扩大患肢的皮层运动支配区，为手功能障碍患者早期康复训练提供有效的工具。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于脑机接口的康复训练装置的结构示意图。

图2是本实用新型提供的基于脑机接口的康复训练装置中一优选实施例的结构示意图。

图3是本实用新型提供的基于脑机接口的康复训练装置中又一优选实施例的的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，图1是本实用新型提供的基于脑机接口的康复训练装置的结构示意图，该康复训练装置包括一体设计的康复训练装置主体10，所述主体10包括依次连接的信息采集装置11，信息融合处理装置12、反馈装置13以及显示装置14。

其中，所述信息采集装置11用于采集用户的脑电信息、手指运动信息以及肌电信息，并将所述脑电信息、手指运动信息以及肌电信息发送至信息融合处理装置12。所述信息融合处理装置12用于根据脑电信息、手指运动信息和肌电信息，分别得出用户脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况，并根据所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度向反馈装置13发送相应的反馈信号。所述反馈装置13用于根据所述反馈信号，向用户（患者）呈现用于模拟训练状态的反馈信息，并当手指运动状况和肌肉收缩状况以及脑部意识活动状况与预定目标的接近程度达到一预定阈值时施加协助用户手指运动的肌电刺激脉冲，刺激用户收缩肌肉并移动手指，以奖励和强化肌肉收缩与脑部意识活动间的联动关系。如果手指运动状况和肌肉收缩状况以及脑部意识活动状况与预定目标的接近程度较大时，则表示用户不能够自主控制手指运动和肌肉收缩，该情况通常发生在用户康复训练初期，用户的手指运动功能恢复不佳，此时通过外部施加肌电刺激脉冲能够很好的协助用户手指运动和肌肉收缩，大大提升康复训练效果。所述显示装置14用于通过实时的模拟画面显示所述反馈信息。

下面结合具体的实施例对该康复训练装置进行具体的描述。

实施例一，本实用新型的康复训练装置采用了微弱生物电信号提取、柔性微传感器阵列、脑机接口技术、多源信息融合和自适应生物反馈控制技术。具体地，对于微弱生物电信号的提取主要是提取患者在训练过程中发出的脑电波信号和肌肉运动过程中产生的肌电信号，脑电波信号的提取和特征识别主要采用脑机接口实施。而柔性微传感器阵列主要是用于采集患者手指的运动信息。多源信息融合主要是对提取的脑电波信号、肌电信号以及患者手指的运动信息进行综合分析，并根据具体的训练状态，通过一定的形式如图形或者声音等进行反馈，如有必要还可以强制刺激手指肌肉收缩，引导患者有意识并协调地控制手指活动，达到康复训练的目的。

具体地，如图2所示，本实用新型的信息采集装置11包括用于采集脑电信息的脑机接口111、用于采集手指运动信息的传感器阵列112、以及用于采集肌电信息的肌电信息采集装置113。脑机接口111通过多个检测通道采集和分析患者的脑电波信号，在人脑与计算机或其他电子设备之间建立起直接交流或控制通道，使患者能通过想象而不是通过语言表达意愿或通过肢体动作来操纵设备。脑机接口技术配合多信源融合技术能够实现将生理数据（如脑电EEG信号、肌电EMG信号）经参数化模型处理后得到的不可见物理参数（如运动行为意识与肌力水平）进行可视化，并通过虚拟现实技术和游戏训练手段形成动态、实时的交互式反馈治疗环路，使系统产生逼真的感觉和效果。传感器阵列112包括用于检测不同手指位置的运动信息的数个传感器。传感器阵列可实现穿戴式生理信号的智能采集，并且该传感器阵列为小型一体化设计，其合理的布局尽可能地减小了信号检测及特征提取，包括基于EEG的运动意识信息，基于EMG的肌力水平及基于压力位移的肢体移动信息，以及肢体运动控制信号在患者训练过程中的交互影响。

所述信息融合处理装置12接收信息采集装置中各装置的采集信息，包括脑机接口采集的脑电信息、传感器阵列采集的手指运动信息，以及肌电信息采集装置采集的肌电信息，从这些采集信息中分别得出用户脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况，所述脑部意识活动状况包括由大脑指挥手指运动以及肌肉收缩所产生的脑电波信号强度，所述手指运动状况包括手指运动位移和力度等，所述肌肉收缩状况包括肌电信号强度。信息融合处理装置会检测并处理特定位置、特定频率段内的脑电波信号以及肌肉电活动和手指运动位移和力度信号，以判别其是否达到预定目标，并根据其与预定目标的接近程度，向反馈装置13发送相应的反馈信号。反馈装置13会根据反馈信号向用户呈现反馈信息或施加反馈刺激，本实用新型的反馈信息主要包括一些图形化游戏或者声音，反馈刺激包括肌肉电刺激脉冲。反馈装置13能够根据脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度来控制训练游戏的进行。并以图形化游戏在显示装置14的人机界面中动态地显示出来，从而形成直观的视觉反馈。当然，图形化游戏的反馈方式仅仅用于但并不限制解释本康复训练装置的反馈训练过程，具体采用何种反馈方式可由用户自行设定。

例如，在图形化游戏中设置若干个模拟手指运动的圆球，并设定一个目标点，在用户训练过程中，用户通过有意识的脑电活动指挥手指运动，传感器阵列采集手指运动过程中的运动信息，多源信息处理装置根据该信息，获取手指运动位移和力度，并根据其与预定目标的接近程度，模拟圆球向目标点运动，用户可以根据圆球向目标点的运动情况，很直观的看到康复训练效果，提高了系统的有效性和准确性。

进一步地，信息融合处理装置12通过构建动态情况下的手部压力分布和肌力之间的关系模型，合理地选择手部压力分布检测位点，也即是合理的选择传感器阵列的检测位置。

实施例二，如图3所示，在实施例一的基础上，本实用新型反馈装置13还包括激励装置131，用于当所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度达到一阀值时，以训练得分或者给予肌肉电刺激的形式来奖励或强化用户训练。信息融合处理装置12会将所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度划分为若干个等级，每个等级对应一个分数，可以对分数设定一个奖励阈值，当达到此分数时，所述激励装置还会发出一定强度的电刺激信号，以帮助患者手指的肌肉收缩，从而激励和强化训练意识和训练结果。

例如，在实施例一采用的图形化游戏中，反馈装置会根据所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度，通过激励装置给出相应的训练得分，而脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度亦可通过圆球到目标点的距离更直观的显示出来。圆球距离目标点越近，训练得分越高。同时，根据圆球距离目标点，反馈装置根据需要能够给出一定强度的电刺激信号，刺激用户患肢和肌肉运动，以辅助用户康复训练。

经过实验，本实用新型的康复训练装置通过MEMS柔性微传感器阵列技术与BCI脑机接口技术、多源信息融合和自适应反馈控制技术结合，能够实现患者主动运动意愿的提取和利用的准确率达到85%以上；1级以下肌力的检测（即肌肉仅有轻微收缩，不引起关节运动，相当正常肌力的10％），从而满足了临床评估需要；而且在训练过程中增加微助力的实时控制与检测功能，超越传统反馈式康复训练产品的训练能力。

综上所述，本实用新型提供的基于脑机接口的康复训练装置，通过将MEMS柔性微传感器阵列技术与BCI脑机接口技术、多源信息融合和自适应生物反馈控制技术结合，实现对手功能障碍患者主动运动意愿的激发、提取和利用，强化患者使用患肢，不仅可显著改善肢体运动功能，同时能促进皮层功能依赖区进行重组，从而扩大患肢的皮层运动支配区，为手功能障碍患者早期康复训练提供有效的工具。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于脑机接口的康复训练装置，其特征在于，包括一体设计的康复训练装置主体，所述主体包括依次连接的信息采集装置，信息融合处理装置、反馈装置以及显示装置；其中，

所述信息采集装置用于采集用户的脑电信息、手指运动信息以及肌电信息，并将所述脑电信息、手指运动信息以及肌电信息发送至信息融合处理装置；

所述信息融合处理装置用于根据脑电信息、手指运动信息和肌电信息，分别得出用户脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况，并根据所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度向反馈装置发送相应的反馈信号；

所述反馈装置用于根据所述反馈信号，向用户呈现模拟训练状态的反馈信息，并当手指运动状况和肌肉收缩状况以及脑部意识活动状况与预定目标的接近程度达到一阈值时施加协助手指运动的肌电刺激脉冲，刺激用户收缩肌肉并移动手指；

所述显示装置用于通过实时的模拟画面显示所述反馈信息。

2.根据权利要求1所述的基于脑机接口的康复训练装置，其特征在于，所述信息采集装置还包括：用于采集脑电信息的脑机接口、用于采集手指运动信息的传感器阵列、以及用于采集肌电信息的肌电信息采集装置。

3.根据权利要求1所述的基于脑机接口的康复训练装置，其特征在于，所述脑部意识活动状况包括由大脑指挥手指运动以及肌肉收缩所产生的脑电波信号强度，所述手指运动状况包括手指运动位移和力度，所述肌肉收缩状况包括肌电信号强度。

4.根据权利要求1所述的基于脑机接口的康复训练装置，其特征在于，

所述反馈信息包括图形化游戏或者声音或者电刺激信号。

5.根据权利要求1所述的基于脑机接口的康复训练装置，其特征在于，所述反馈装置还包括用于当所述脑部意识活动状况、手指运动状况和肌肉收缩状况与预定目标的接近程度达到一阀值时，以训练得分或者给予肌肉电刺激的形式来奖励用户训练的激励装置。

6.根据权利要求2所述的基于脑机接口的康复训练装置，其特征在于，脑机接口包括数个检测通道，所述传感器阵列也包括用于检测不同手指位置的运动信息的数个传感器。

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