TW202319034A - 基於腦波控制的復健系統 - Google Patents
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Abstract
一種基於腦波控制的復健系統，用以解決習知復健系統無法即時調整目標復健部位的訓練／刺激強度之復健效果不佳的問題。係包含一復健設備，具有一動力單元及一復健單元；一腦波設備；一控制單元，耦接該復健設備及該腦波設備；在該動力單元提供一預設輸出驅動該復健單元以帶動一復健部位進行運動的狀態中，該控制單元接收一腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一刺激閾值；在該腦波訊號低於該刺激閾值的狀態中，該控制單元發出一調整訊號以控制該動力單元調整一預設輸出以驅動該復健單元作動。
Description
本發明係關於一種復健系統，尤其是一種基於腦波控制的復健系統。
在習知的復健方法與系統中，若病患在進行復健時，無法在復健當下基於科學數據即時且客觀地評估復健效果的有效性，也無法即時調整目標復健部位的訓練／刺激強度，使得復健效果不彰。特別是，針對腦中風的復健者，因復健者的復健部位與腦部間的神經連結尚待強化，若缺乏基於科學的客觀量化數據或資訊的復健系統，醫療人員或復健師很難評估復健者在復健當下的情況以及復健過程的有效性，使中風的復健者在針對復健部位進行訓練時更顯困難。
有鑑於此，習知的復健系統確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種復健系統，可即時記錄與分析目標復健部位的腦部神經活性的腦波訊號，作為復健有效性的評估或調整，而提升復健效果。
本發明的次一目的是提供一種復健系統，可根據使用者意願進行復健，可將使用者進行復健的意願轉換為對應腦波訊號以控制復健裝置進行復健，除照顧使用者心理之外，更可透過這樣的復健機制，將「想」復健的「控制意圖」及「真實」復健的「運動刺激」形成關聯的腦部神經迴路，強化復健效果。
本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上（頂）」、「下（底）」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明全文所述「結合」、「組合」或「組裝」等近似用語，主要包含連接後仍可不破壞構件地分離，或是連接後使構件不可分離等型態，係本領域中具有通常知識者可以依據欲相連之構件材質或組裝需求予以選擇者。
本發明全文所述「耦接」用語，包含電性及/或訊號地直接或間接連接，係本領域中具有通常知識者可以依據使用需求予以選擇者。
本發明的基於腦波控制的復健系統，包含一復健設備，具有一動力單元及一復健單元，該動力單元耦接該復健單元，該動力單元用以提供一預設輸出驅動該復健單元作動，該復健單元用以帶動一使用者的一復健部位運動；一腦波設備，具有數個腦波感測單元，該數個腦波感測單元用以偵測該使用者的該復健部位所相對應的一腦部運動活化區的一腦波訊號；及一控制單元，耦接該復健設備及該腦波設備；其中，在該動力單元提供該預設輸出驅動該復健單元以帶動該復健部位進行運動的狀態中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一刺激閾值；在該腦波訊號低於該刺激閾值的狀態中，該控制單元發出一調整訊號以控制該動力單元調整該預設輸出以驅動該復健單元作動。
據此，本發明的復健設備，透過該控制單元判斷該腦波訊號是否低於一刺激閾值，藉以調整該預設輸出，對應該使用者的運動情形產生回饋，從而確保該復健部位能獲得較佳運動刺激，提升神經活化恢復的功效。
其中，在該動力單元提供該預設輸出驅動該復健單元以帶動該復健部位進行運動的狀態中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否高於一停止閾值；在該腦波訊號高於該停止閾值的狀態中，該控制單元發出一停止訊號以控制該動力單元停止而使該復健單元停止作動。如此，可避免該使用者的該復健部位因疼痛或過強的運動刺激而造成傷害，具有提升復健安全性的功效。
其中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一意願閾值；在該復健單元於一未作動的狀態中，且在該腦波訊號未低於該意願閾值的狀態中，該控制單元發出一觸發訊號以控制該動力單元以該預設輸出以驅動該復健單元作動。如此，在該使用者具有復健意願的情形下，可以產生強化腦部對應神經元間連結的效果，具有提升該復健部位對應的神經活化恢復的功效。
其中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一意願閾值；在該復健單元於一作動狀態中，且在該腦波訊號低於該意願閾值的狀態中，該控制單元發出一停止訊號以控制該動力單元停止而使該復健單元停止作動。如此，可以避免被動或強制復健造成的反效果，提供該使用者舒適與信任感，具有提升該使用者長期復健意願的功效。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖所示，其係本發明復健系統的一較佳實施例的組合立體示意圖，係包含一復健設備1、一腦波設備2及一控制單元3，該控制單元3耦接該復健設備1及該腦波設備2。
該復健設備1包含一動力單元11及一復健單元12，該動力單元11耦接該復健單元12，該動力單元11用以提供一預設輸出以驅動該復健單元12作動，該復健單元12在該動力單元11的驅動下，係可相對該復健設備1運動，以帶動一使用者P的一復健部位R運動。該動力單元11可以是轉動式馬達、線性式馬達、震動馬達及其他動力源中之一者或多者，並可包含例如是減速機構的運用。該復健單元12可包含至少一元件／桿件或至少一連桿機構與該動力單元連接，以受該動力單元11驅動而產生對應復健效果的一目標運動特性，該目標運動特性例如是對應使用者目標復健部位的軌跡、速度、加速度、張力、壓力及扭力中之一者或多者。應理解的是，該動力單元11與復健單元12的具體配置係依據復健需求而可變化選擇，並不以此為限。
請參照第1～3圖所示，該腦波設備2具有數個腦波感測單元21，該數個腦波感測單元21用以感測該使用者P的該復健部位R所相對應的腦部運動活化區的腦波訊號，其中，該腦波訊號是EEG（腦電圖）訊號。較佳地，該腦波設備2可具有一本體20，該本體20可具有各種構造以方便將該數個腦波感測單元21對位貼合於該使用者P的頭部。各該數個腦波感測單元21可具有一感測電極211與一海綿感測乾式電極212；該感測電極211的一端與該本體20耦接；該海綿感測乾式電極212與該感測電極211的一端耦接，用於接觸使用者P的頭皮。該數個腦波感測單元21可拆卸式地結合於該本體20，藉此以根據復健需求調整腦波感測單元21的數量及/或位置，例如，請參考第4圖所示，該腦波感測單元21可根據目標復健部位所對應的腦波電極位置而配置，以目標復健位置為腿部舉例，對應的腦波電極位置分佈於電極位置FC1、FCz、FC2、C3、C1、Cz、C2、C4、CP1、CPz、CP2等處；在腦波感測單元21有限的情況下，亦可僅配置於電極位置C3、Cz及C4等處。
應注意的是，在獲取EEG腦波訊號後，可透過「頻率」或「dB值」方式進行腦波訊號的處理以利分析與應用，且本發明並不以此為限。其中，所稱「頻率」方式，主要係指根據在1 Hz～30 Hz範圍的腦波訊號進行腦神經運動功能偵測的相關演算法計算和腦波訊號變化的判斷；所稱「dB值」方式，常見方法之一為將該腦波訊號經演算法計算為能量dB值。本發明所稱「腦波訊號」係包含原始未處理的腦波訊號及/或上述經處理後的腦波訊號。
該控制單元3可以為具有資料處理、訊號產生、驅動控制、資料儲存等功能之元件，該控制單元3可以是一微控制器（Micor Control Unit, MCU）。該控制單元3耦接該復健設備1及該腦波設備2，用以在該使用者P使用該復健設備1時接收來自該腦波設備2所感測的腦波訊號，並可根據感測的腦波訊號產生對應控制訊號以即時控制該復健設備1產生相應的調整。其中，腦波訊號、控制訊號等傳遞可以透過無線或有線傳輸接收的技術達成，又或該控制單元3可以是以雲端伺服器的方式與該復健設備1及該腦波設備2耦接，本案並不特別限定該等傳輸接收技術與耦接方式。
該控制單元3具有一刺激回饋機制，在該動力單元11提供一預設輸出驅動該復健單元12以帶動該復健部位R進行運動的狀態中，該控制單元3接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一刺激閾值；在該腦波訊號低於該刺激閾值的狀態中，該控制單元3發出一調整訊號以控制該動力單元11調整該預設輸出以驅動該復健單元12作動。其中，經調整後的預設輸出可取代調整前的預設輸出成為當前的預設輸出，或透過該控制單元3或其他與該控制單元耦接的資料庫紀錄該等預設輸出的疊代與時間戳記，以作為復健規劃中可考量或運用的數據。透過上述刺激回饋機制，該使用者P的該復健部位R能獲得較佳運動刺激，提升神經活化恢復效果。其中，以將腦波訊號轉換為dB值的方式為例，該刺激閾值可為腦波訊號能量dB值，且範圍較佳為1.00 dB～10.00 dB，並以0.01 dB為區間進行調整。該刺激閾值可依該使用者P的該復健部位R的運動功能強弱設定適合的閾值大小。
該控制單元3可具有一安全停止機制，在該動力單元11提供該預設輸出驅動該復健單元12以帶動該復健部位R進行運動的狀態中，該控制單元3接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否高於一停止閾值；在該腦波訊號高於該停止閾值的狀態中，該控制單元3發出一停止訊號以控制該動力單元11停止而使該復健單元12停止作動。透過上述安全停止機制，可避免該使用者P的該復健部位R因疼痛或過強的運動刺激而造成傷害。其中，以將腦波訊號轉換為dB值的方式為例，該停止閾值可為腦波訊號能量dB值。
該控制單元3可具有一主動控制機制，該控制單元3接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一意願閾值。在該動力單元11未提供任何輸出使該復健單元12於一未作動的狀態中，且在該腦波訊號未低於該意願閾值的狀態中，該控制單元3發出一觸發訊號以控制該動力單元11以該預設輸出驅動該復健單元12作動。如此，在該使用者P具有復健意願的情形下，可強化腦部對應神經元間的連結，提升該復健部位R對應的神經活化恢復效果。另，在該復健單元12於一作動狀態中，且在該腦波訊號低於該意願閾值的狀態中，該控制單元12發出一停止訊號以控制該動力單元停止而使該復健單元停止作動。如此，在該使用者P因身理或心理狀況不佳而造成復健意願低下的情況下，能避免被動／強制復健造成的反效果，例如引起受傷、造成虛弱不適、對復健產生排斥感等。其中，以將腦波訊號轉換為dB值的方式為例，該意願閾值可為腦波訊號能量dB值，且該意願閾值小於該刺激閾值。
根據上述說明，本發明的基於腦波控制的復健系統可歸納如第5圖所示的系統方塊圖，該控制單元3可分析判斷所接收的腦波訊號，並根據分析判斷結果可具有刺激回饋機制、安全停止機制及主動控制機制，發出對應訊號至該動力單元11以控制該復健單元12的作動。其中，本發明所提出的系統架構可應用於各種不同復健部位的訓練，例如，除了應用於如第1～2圖之腿部復健，亦可用於手部、舌頭或其他部位之復健。請參考第4圖所示，若應用於手部復健，腦波感測單元21可配置於電極位置FC3、FC1、FCz、FC2、FC4、C3、C1、Cz、C2、C4、CP3、CP1、CPz、CP2及CP4等處；若應用於舌頭復健，腦波感測單元21可配置於電極位置FC3、FC4、C5、C3、C4、C6、CPz、CP3及CP4等處位置。
特別說明的是，本發明中各閾值的設定（例如上述刺激閾值、停止閾值及意願閾值）可藉由一預先建立的系統／模組透過一經設計／標準化的方式做出自動化決定，並可藉由使用者透過使用本發明復健系統時所偵測的腦波訊號與對應的復健部位，決定當下及/或下次復健時各閾值的調整或設定。其中，該預先建立的系統可基於深度學習或大數據資料等方式訓練與建立，所稱大數據資料亦可包含使用者病症資訊（例如中風程度、中風時間、中風部位等）及生理資料（年齡、臨床運動功能評估量表之評估分數、腦波訊號等）；該經設計的方法可透過以多組不同目標運動特性／強度獲取使用者對應復健部位的腦波訊號。
上述刺激閾值、停止閾值及意願閾值的設定，主要是根據一特定時距的腦波訊號進行分析與決定，該時距可以毫秒為單位，較佳是以至少500毫秒做為適當的時距。在一實施範例中，該刺激閾值及該意願閾值是以使用者在運動狀態中（特別是使用本發明復健系統針對其目標復健部位進行復健時）所獲取的腦波訊號進行分析與決定；該停止閾值係以該使用者在進行復健、運動前的靜止狀態中所獲取的腦波訊號進行分析與決定。
綜上所述，本發明的基於腦波控制的復健系統，透過刺激回饋機制，使用者的復健部位能獲得較佳運動刺激，提升神經活化恢復效果。另可透過安全停止機制，避免該使用者的該復健部位因疼痛或過強的運動刺激而造成傷害。另亦可透過主動機制，強化腦部對應神經元間的連結，提升該復健部位對應的神經活化恢復效果，並能避免被動或強制復健造成的反效果。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:復健設備
11:動力單元
12:復健單元
2:腦波設備
20:本體
21:腦波感測單元
211:感測電極
212:海綿感測乾式電極
3:控制單元
P:使用者
R:復健部位
C5,C3,C1,Cz,C2,C4,C6:電極位置
FC3,FC1,FCz,FC2,FC4:電極位置
CP3,CP1,CPz,CP2,CP4:電極位置
［第1圖］ 本發明一較佳實施例的使用情形示意圖。
［第2圖］ 如第1圖所示的動作情形示意圖。
［第3圖］ 本發明一較佳實施例的腦波設備示意圖。
［第4圖］ 本發明一較佳實施例的腦部電極位置示意圖。
［第5圖］ 本發明發明一較佳實施例的系統方塊圖。
1:復健設備
11:動力單元
12:復健單元
2:腦波設備
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P:使用者
R:復健部位
Claims (8)
- 一種基於腦波控制的復健系統，包含： 一復健設備，具有一動力單元及一復健單元，該動力單元耦接該復健單元，該動力單元用以提供一預設輸出驅動該復健單元作動，該復健單元用以帶動一使用者的一復健部位運動； 一腦波設備，具有數個腦波感測單元，各該數個腦波感測單元用以偵測該使用者的該復健部位所相對應的一腦部運動活化區的一腦波訊號；及 一控制單元，耦接該復健設備及該腦波設備； 其中，在該動力單元提供該預設輸出驅動該復健單元以帶動該復健部位進行運動的狀態中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一刺激閾值；在該腦波訊號低於該刺激閾值的狀態中，該控制單元發出一調整訊號以控制該動力單元調整該預設輸出以驅動該復健單元作動。
- 如請求項1之基於腦波控制的復健系統，其中，在該動力單元提供該預設輸出驅動該復健單元以帶動該復健部位進行運動的狀態中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否高於一停止閾值；在該腦波訊號高於該停止閾值的狀態中，該控制單元發出一停止訊號以控制該動力單元停止而使該復健單元停止作動。
- 如請求項1或2之基於腦波控制的復健系統，其中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一意願閾值；在該復健單元於一未作動的狀態中，且在該腦波訊號未低於該意願閾值的狀態中，該控制單元發出一觸發訊號以控制該動力單元以該預設輸出以驅動該復健單元作動。
- 如請求項1或2之基於腦波控制的復健系統，其中，該控制單元接收該腦波訊號，並判斷該腦波訊號是否低於一意願閾值；在該復健單元於一作動狀態中，且在該腦波訊號低於該意願閾值的狀態中，該控制單元發出一停止訊號以控制該動力單元停止而使該復健單元停止作動。
- 如請求項3之基於腦波控制的復健系統，在該復健單元於一作動狀態中，且在該腦波訊號低於該意願閾值的狀態中，該控制單元發出一停止訊號以控制該動力單元停止而使該復健單元停止作動。
- 如請求項1之基於腦波控制的復健系統，該刺激閾值為腦波訊號能量dB值且範圍為1.00 dB～10.00 dB。
- 如請求項3之基於腦波控制的復健系統，該刺激閾值為腦波訊號能量dB值且範圍為1.00 dB～10.00 dB，該意願閾值小於該刺激閾值。
- 如請求項4之基於腦波控制的復健系統，該刺激閾值為腦波訊號能量dB值且範圍為1.00 dB～10.00 dB，該意願閾值小於該刺激閾值。
Priority Applications (2)
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Family Applications (1)
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