CN215689579U - 基于脑机接口的手功能康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于脑机接口的手功能康复训练系统，包括：脑电采集设备、显示设备、脑电分析设备和手部运动控制设备，脑电采集设备与脑电分析设备连接；显示设备用于显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标；脑电采集设备用于通过脑机接口采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时的脑电信号，并将采集的脑电信号发送给脑电分析设备；脑电分析设备用于对脑电信号进行分析，得到专注度反馈指标并发送给显示设备；手部运动控制设备用于在专注度反馈指标超过预设阈值时，带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。本实用新型实施例公开的基于脑机接口的手功能康复训练系统，提高了手功能康复训练的治疗效果。

Description

基于脑机接口的手功能康复训练系统

技术领域

本实用新型实施例涉及人体运动康复技术，尤其涉及一种基于脑机接口的手功能康复训练系统。

背景技术

脑卒中是一种急性脑血管疾病，易造成肢体运动功能障碍。脑卒中的发病率逐年增高，已经成为成年人致残的首要原因。运动功能障碍康复治疗能够有效恢复脑卒中患者的肢体运动功能障碍，能够大大提高脑卒中患者的生活质量，是医疗康复领域的研究重点。

手功能障碍是脑卒中偏瘫患者的主要问题之一，由于手的动作精细，功能恢复难度大，对手功能障碍的预防和治疗正确与否将直接影响上肢功能与日常生活活动能力的恢复。但目前手功能障碍康复训练设备较少，而且现有的康复设备都是被动式训练方式，内容枯燥、治疗效果较差。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于脑机接口的手功能康复训练系统，能够进行主动式的手功能康复训练，提高了手功能康复训练的治疗效果。

第一方面，本实用新型实施例提供一种基于脑机接口的手功能康复训练系统，包括：脑电采集设备、显示设备、脑电分析设备和手部运动控制设备，脑电采集设备与脑电分析设备连接；

显示设备用于显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标；

脑电采集设备用于通过脑机接口采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时的脑电信号，并将采集的脑电信号发送给脑电分析设备；

脑电分析设备用于对脑电信号进行分析，得到专注度反馈指标并发送给显示设备；

手部运动控制设备用于在专注度反馈指标超过预设阈值时，带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。

在第一方面一种可能的实现方式中，显示设备具体用于重复显示手部运动动作轨迹；

脑电分析设备具体用于在显示设备显示手部运动动作轨迹的过程中采集佩戴者的脑电信号。

在第一方面一种可能的实现方式中，显示设备具体用于在显示一次手部运动动作轨迹后，显示手部运动后的静止画面；

脑电分析设备具体用于在显示设备显示手部运动动作轨迹后的预设时间内采集佩戴者的脑电信号。

在第一方面一种可能的实现方式中，脑电分析设备具体用于对脑电信号的强度进行归一化处理，得到专注度反馈指标。

在第一方面一种可能的实现方式中，脑电信号的强度与专注度反馈指标成正比。

在第一方面一种可能的实现方式中，脑电分析设备具体用于将采集到的脑电信号与预设专注脑电信号进行对比，根据匹配程度确定专注度反馈指标。

在第一方面一种可能的实现方式中，专注度反馈指标包括至少两个阈值，每个阈值对应不同强度的动作；

手部运动控制设备具体用于在专注度反馈指标超过预设阈值时，根据阈值对应的动作强度带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。

在第一方面一种可能的实现方式中，脑电采集设备具体用于采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时额叶脑区的脑电信号。

在第一方面一种可能的实现方式中，显示设备为显示器、VR显示设备或AR显示设备。

在第一方面一种可能的实现方式中，脑电采集设备与显示设备集成为具有脑电采集功能的VR显示设备或AR显示设备。

在第一方面一种可能的实现方式中，手部运动控制设备包括如下任一种设备：手部外骨骼、气动手套、上肢运动康复平台、手部功能性电刺激设备。

本实用新型实施例提供的基于脑机接口的手功能康复训练系统，由脑电采集设备、显示设备、脑电分析设备和手部运动控制设备组成，通过显示设备显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标，并使用脑电采集设备通过脑机接口采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时的脑电信号，然后将采集的脑电信号发送给脑电分析设备，脑电分析设备对脑电信号进行分析后得到专注度反馈指标并发送给显示设备，最后由手部运动控制设备在专注度反馈指标超过预设阈值时，带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作，实现了手部功能康复的主动训练，能够通过患者的专注度控制手部运动控制设备辅助患者完成手部运动，提高了手部康复训练的趣味性和治疗效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于脑机接口的手功能康复训练系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于脑机接口的手功能康复训练系统的显示设备的显示界面示意图；

图3为手部运动控制设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种基于脑机接口的手功能康复训练系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的基于脑机接口的手功能康复训练系统包括：显示设备11、脑电采集设备12、脑电分析设备13和手部运动控制设备14，脑电采集设备12与脑电分析设备13连接。

脑机接口是在大脑和计算机设备或其他电子设备之间建立全新通讯和控制的不依赖于常规大脑信息输出通路的技术。在康复医疗领域脑机接口技术可直接完成对输出设备的操控。通过采集大脑脑区的电信号，可以实现肢体障碍患者与外界的交流，从而为改善肢体功能障碍者的生活质量提供了一种可能途径。本申请实施例提供的基于脑机接口的手功能康复训练系统，将脑机接口应用于手功能康复训练中，以实现患者主动的手部功能康复训练，提高治疗效果。

显示设备11用于显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标。脑电采集设备12用于采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时的脑电信号，并将采集的脑电信号发送给脑电分析设备13；脑电分析设备13用于对脑电信号进行分析，得到专注度反馈指标并发送给显示设备11；手部运动控制设备14用于在专注度反馈指标超过预设阈值时，带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。

显示设备11可以是任一种能够显示图像的设备，例如显示器、电视、(VirtualReality，VR)设备、(Augmented Reality，AR)设备等。在对人脑活动与肢体运动进行了深入研究后发现，在进行手部康复训练时，当引入外界视觉、听觉等感官刺激后，人脑能够在各种感官刺激与手部运动之间建立关联关系。也就是当长期重复给手部功能障碍患者提供感官刺激时，同时令患者手部执行动作，患者大脑将能够在感官刺激与手部执行的动作之间建立关联关系，那么患者大脑就能够主动控制手部执行对应动作，从而达到手部功能康复的目的。因此，为了提高对手部功能障碍患者的手部功能康复训练效果，可以首先在显示设备11上显示手部运动动作轨迹。手部运动动作轨迹可以是握拳、伸展手掌、转动手腕、伸出手指、弯曲手指等任一种手部运动所对应的动作轨迹。显示设备11上显示的手部运动动作轨迹作为提供给使用基于脑机接口的手功能康复训练系统的手部功能障碍患者的感官刺激，辅助手部功能障碍患者进行手部功能康复训练。另外，在显示设备11上还显示专注度反馈指标，专注度反馈指标用于体现使用基于脑机接口的手功能康复训练系统的手部功能障碍患者在使用时的专注度，专注度反馈指标越高表示使用者的专注程度越高。在使用者的专注程度越高时，大脑在外部感官刺激与手部运动之间建立关联关系的效果越好。那么手部运动控制设备14在专注度反馈指标超过预设阈值时再带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作，则会提高使用佩戴者进行手部运动康复训练的效果。另外，在显示设备11中同时显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标，可以使得使用者能够获知每次训练时的专注程度，使得使用者能够更为专心地进行手部康复训练。显示设备11中显示的手部运动动作轨迹可以是手部运动模拟动画或者实时录制的手部运动视频。

图2为本实用新型实施例提供的基于脑机接口的手功能康复训练系统的显示设备的显示界面示意图。如图2所示，在显示界面11中具有轨迹显示区域21和专注度显示区域22。其中轨迹显示区域21中显示手部运动动作轨迹，专注度显示区域22中显示专注度反馈指标，专注度反馈指标根据脑电信号实时变动。轨迹显示区域21中可以仅显示一只手的手部运动动作轨迹，也可以同时显示两只手的手部运动动作轨迹。手部运动动作轨迹可以是任一种待训练的手部运动动作轨迹。专注度显示区域22中显示的专注度反馈指标可以是任一种可以体现专注度程度的图形，例如图2中所示的柱状图，或者专注度反馈指标还可以是饼状图或百分比数值。专注度反馈指标可以是根据对脑电信号进行分析得到的绝对值，也可以是对脑电信号进行分析后进行归一化处理得到的相对值。例如图2中所示的柱状图为一种相对值，柱状图的长度越长表示专注度反馈指标越高。或者柱状图的颜色也可以根据专注度反馈指标的大小变化，例如专注度反馈指标未超过预设阈值时显示黄色，专注度反馈指标超过预设阈值时显示绿色。

脑电采集设备12佩戴在使用基于脑机接口的手功能康复训练系统的使用者的头部，通过脑机接口采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时的脑电信号，并将采集的脑电信号实时发送给脑电分析设备13。脑电采集设备12与脑电分析设备13通过任一种数据传输方式连接，例如蓝牙、WiFi、电缆等。在佩戴脑电采集设备12的佩戴者观看手部运动动作轨迹时，佩戴者需要想象手部运动动作轨迹对应的手部工作，此时佩戴者的脑电信号会发生变化，特别佩戴者观看手部运动动作轨迹的专注度与脑电信号的变化存在匹配关系。因此可以在佩戴者观看手部运动动作轨迹时的采集脑电信号，并对脑电信号进行分析后可以确定佩戴者的专注度。

在一实施例中，脑电采集设备12可以采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时额叶脑区的脑电信号。在对人脑活动进行研究后发现，人脑可以主要分为三个区域，其中额叶脑区的脑电信号与专注度的关联关系更密切。因此脑电采集设备12可以针对性地采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时额叶脑区的脑电信号，这样得到的脑电信号能够更加准确地反映出佩戴者的专注度变化情况。仅采集额叶脑区的脑电信号还能够降低脑电分析设备13在对脑电信号进行分析时的数据处理复杂度，使得专注度反馈指标能够实时地显示在显示设备11中。

脑电分析设备13在接收到脑电采集设备12发送的脑电信号后，对其进行分析解码，可以得到与脑电信号关联的专注度反馈指标。脑电分析设备13可以对接收到的脑电信号进行实时分析处理，得到实时变化的专注度反馈指标。专注度反馈指标可以是一种绝对值也可以是一种相对值。专注度反馈指标可以与脑电信号的强度关联，脑电分析设备13可以对脑电信号的强度进行归一化处理后，得到专注度反馈指标。其中脑电信号的强度可以与专注度反馈指标成正比。或者专注度反馈指标可以与脑电信号与预设专注脑电信号的匹配度关联，脑电分析设备13可以将采集到的脑电信号与预设专注脑电信号进行对比，根据匹配程度确定专注度反馈指标，匹配程度越高则对应的专注度反馈指标越高。其中，预设专注脑电信号是在对人体脑电波进行分析后确定的人脑在绝对专注时所呈现的脑电波信号。脑电分析设备13可以是计算机或具有数据处理能力的其他电子设备。具体地，脑电分析设备13可以将采集到的的脑电信号与预设专注脑电信号的能量频域空域分布等指标进行对比，根据匹配程度确定专注度反馈指标。

本实施例中，脑电分析设备13具有两种不同的脑电信号采集方案，一种是显示设备11重复显示手部运动动作轨迹，也就是循环播放一个相同的手部运动动作轨迹，然后脑电分析设备13在显示设备11显示手部运动动作轨迹的过程中采集佩戴者的脑电信号。另一种是显示设备11在显示一次手部运动动作轨迹后，显示手部运动后的静止画面，也就是仅显示一次手部运动动作轨迹就停止，然后脑电分析设备13在显示设备11显示手部运动动作轨迹后的预设时间内采集佩戴者的脑电信号。

手部运动控制设备14与脑电分析设备13连接，根据脑电分析设备13得到的专注度反馈指标带动佩戴者的手部执行相应运动。当手部运动控制设备14获取到的专注度反馈指标超过预设阈值时，将带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。由于使用基于脑机接口的手功能康复训练系统的佩戴者是手部存在运动功能障碍的患者，那么手部无法主动完成运动，因此需要使用辅助装置带动佩戴者的手部被动运动，使佩戴者的手部完成相应的手部运动，并将显示设备11中显示的手部模拟运动动画作为外界感官刺激，使得佩戴者的大脑在手部模拟运动动画于手部被动运动之间建立关联关系，从而实现手部运动康复训练的目的。手部运动控制设备14是佩戴在人体手部且具有运动驱动能力的设备，可以根据不同的控制信号驱动位于人体手部不同关节的部件运动，从而带动佩戴者手部的被动运动。手部运动控制设备14可以采用柔性材料制成，在人体手部各关节对应的位置设置液压、气压、电机等方式的运动控制器件。手部运动控制设备14根据所需执行的手部运动动作，驱动不同关节处的运动控制器件执行相应的动作，从而完成整个手部的动作。在每次手部运动控制设备14动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作之后，即完成一次手部康复训练，显示设备11可以继续显示手部运动动作轨迹，重复执行手部康复训练。只有长期反复地使用基于脑机接口的手功能康复训练系统进行手功能康复训练，才能使大脑在手部运动动作轨迹和手部实际动作之间建立关联关系，从而使大脑能够正确地发出信号主动控制手部完成所需动作。手部运动控制设备14例如包括如下任一种设备：手部外骨骼、气动手套、上肢运动康复平台、手部功能性电刺激设备。

图3为手部运动控制设备的结构示意图，图3中示出手部运动控制设备的一种形式，图中示出的手部运动控制设备由柔性材料制成的手套和位于手套上与手部各关节对应位置的运动控制器件组成。

手部运动控制设备14可以在专注度反馈指标一超过预设阈值时就带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作，或者手部运动控制设备14还可以在显示设备11开始显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标后的预设时间后，再根据实时的专注度反馈指标或该预设时间内的平均专注度反馈指标是否超过预设阈值，判读是否带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。

另外，当显示设备11显示手部运动动作轨迹之后的预设时间内，脑电分析设备13仍未得到超过预设阈值的专注度反馈指标，则手部运动控制设备14将不执行对佩戴者手部的动作控制，显示设备11中可以显示训练失败提示。

在一实施例中，专注度反馈指标还可以包括至少两个阈值，每个阈值对应不同强度的动作。也就是对于同一个手部运动动作，手部运动控制设备14中具有多个不同的动作强度，并根据专注度反馈指标达到的不同阈值，以不同的动作强度带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作。例如专注度反馈指标包括两个不同的阈值，当专注度反馈指标超过第一阈值但未超过第二阈值时，手部运动控制设备14以第一强度带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作；当专注度反馈指标超过第二阈值时，手部运动控制设备14以第二强度带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作，第二强度高于第一强度。那么佩戴者的大脑将会在建立不同强度的手部动作与手部运动动作轨迹之间的对应关系，更有利于手功能的康复训练。另外，当专注度反馈指标还可以包括多个阈值时，显示设备11中显示的专注度反馈指标也可以具有不同的显示状态。例如仍以图2所示显示界面为例，当专注度反馈指标包括两个不同的阈值时，当专注度反馈指标未超过第一阈值时，专注度反馈指标可以为黄色；当专注度反馈指标超过第一阈值但未超过第二阈值时，专注度反馈指标可以为蓝色；当专注度反馈指标超过第二阈值时，专注度反馈指标可以为绿色。

在一实施例中，为了提高基于脑机接口的手功能康复训练系统的集成度，脑电采集设备12与显示设备11可以集成为一个设备。由于VR显示设备或AR显示设备是佩戴于使用者头部的，因此脑电采集设备12与显示设备11可以集成为具有脑电采集功能的VR显示设备或AR显示设备。

另外，基于脑机接口的手功能康复训练系统还可以包括数据存储功能，可以记录每次手部运动控制设备14带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作时的专注度反馈指标，该记录可以进行手功能康复训练的训练日志，该训练日志可以作为专业医生的诊断依据。

每次使用基于脑机接口的手功能康复训练系统进行手功能康复训练时，可以设置手部运动次数，当手部运动控制设备带动佩戴者的手部完成动作的次数达到预设次数，则结束手功能康复训练。

本实施例提供的基于脑机接口的手功能康复训练系统，由脑电采集设备、显示设备、脑电分析设备和手部运动控制设备组成，通过显示设备显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标，并使用脑电采集设备采集佩戴者在观看手部运动动作轨迹时的脑电信号，然后将采集的脑电信号发送给脑电分析设备，脑电分析设备对脑电信号进行分析后得到专注度反馈指标并发送给显示设备，最后由手部运动控制设备在专注度反馈指标超过预设阈值时，带动佩戴者的手部完成手部运动动作轨迹对应的动作，实现了手部功能康复的主动训练，能够通过患者的专注度控制手部运动控制设备辅助患者完成手部运动，提高了手部康复训练的趣味性和治疗效果。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于脑机接口的手功能康复训练系统，其特征在于，包括：脑电采集设备、显示设备、脑电分析设备和手部运动控制设备，所述脑电采集设备与所述脑电分析设备连接；

所述显示设备用于显示手部运动动作轨迹和专注度反馈指标；

所述脑电采集设备用于通过脑机接口采集佩戴者在观看所述手部运动动作轨迹时的脑电信号，并将采集的脑电信号发送给所述脑电分析设备；

所述脑电分析设备用于对所述脑电信号进行分析，得到专注度反馈指标并发送给所述显示设备；

所述手部运动控制设备用于在所述专注度反馈指标超过预设阈值时，带动佩戴者的手部完成所述手部运动动作轨迹对应的动作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示设备具体用于重复显示所述手部运动动作轨迹；

所述脑电分析设备具体用于在所述显示设备显示所述手部运动动作轨迹的过程中采集佩戴者的脑电信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示设备具体用于在显示一次所述手部运动动作轨迹后，显示手部运动后的静止画面；

所述脑电分析设备具体用于在所述显示设备显示所述手部运动动作轨迹后的预设时间内采集佩戴者的脑电信号。

4.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述脑电分析设备具体用于对所述脑电信号的强度进行归一化处理，得到所述专注度反馈指标。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述脑电信号的强度与所述专注度反馈指标成正比。

6.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述脑电分析设备具体用于将采集到的脑电信号与预设专注脑电信号进行对比，根据匹配程度确定所述专注度反馈指标。

7.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述专注度反馈指标包括至少两个阈值，每个阈值对应不同强度的动作；

所述手部运动控制设备具体用于在所述专注度反馈指标超过预设阈值时，根据阈值对应的动作强度带动佩戴者的手部完成所述手部运动动作轨迹对应的动作。

8.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述脑电采集设备具体用于采集佩戴者在观看所述手部运动动作轨迹时额叶脑区的脑电信号。

9.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述显示设备为显示器、虚拟现实VR显示设备或增强现实AR显示设备。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述手部运动控制设备包括如下任一种设备：手部外骨骼、气动手套、上肢运动康复平台、手部功能性电刺激设备。

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