一种多反馈模态的主动加强式训练系统及其操作方法

摘要

本发明公开了一种多反馈模态的主动加强式训练系统及其操作方法，包括用于产生刺激的显示器、用于主动意图识别的计算机和脑电电极、用于反馈的反馈手套和机械外骨骼，反馈手套和机械外骨骼设置在患者的患侧手部，在执行运动想象的同时，显示器对患者产生刺激，脑电电极采集患者受到的外界刺激，通过计算机进行主动意图识别并通过反馈手套持续保持物体感反馈及持续意图反馈，当达到设定意图强度后驱动机械外骨骼带动患者的患侧完成训练。本发明提高患者执行运动想象的效率，进而提高脑机接口的效率；有利于促进神经康复。

权利要求

1.一种多反馈模态的主动加强式训练系统，其特征在于，包括显示器(2)、用于主动意图识别的计算机(1)和脑电电极(3)、用于反馈的反馈手套(6)和机械外骨骼(5)，反馈手套(6)和机械外骨骼(5)设置在患者(4)的患侧手部，在反馈手套(6)的手背处分布有多个手背等级式震动模块(7)，手背等级式震动模块(7)为单点控制方式，由多个震点按4×4阵列排列组成；震点震动数目对应主动运动意图的累加强度，包括7级，一级为1个震点震动，二级为2个震点震动，三级为3个震点震动，四级为4个震点震动，五级为8个震点震动，六级为12个震点震动，七级为16个震点震动，显示器(2)用于对患者(4)产生刺激，脑电电极(3)采集患者(4)受到的外界刺激，通过计算机(1)进行主动意图识别并通过反馈手套(6)持续保持物体感反馈及持续意图反馈，当达到设定意图强度后驱动机械外骨骼(5)带动患者(4)的患侧完成训练。

2.根据权利要求1所述的一种多反馈模态的主动加强式训练系统，其特征在于，在反馈手套(6)的指背处分布有多个指背震动振子(8)，指背震动振子(8)的单指为分离控制方式，同一根手指单指震点沿手指背面呈直线分布，指背震动振子(8)的控制为多点同步控制。

3.根据权利要求2所述的一种多反馈模态的主动加强式训练系统，其特征在于，指背震动振子(8)为单指屈的张感刺激，当所对应的手指执行伸的动作时，指背震动振子(8)产生同步震动。

4.根据权利要求1所述的一种多反馈模态的主动加强式训练系统，其特征在于，在反馈手套(6)的五个指尖处分别设置有指尖震动振子(9)，指尖震动振子(9)的每个震点为单独控制方式。

5.根据权利要求4所述的一种多反馈模态的主动加强式训练系统，其特征在于，指尖震动振子(9)为单指屈的握感刺激，当所对应的手指执行屈的动作时，指尖震动振子(9)产生同步震动。

6.根据权利要求1所述的一种多反馈模态的主动加强式训练系统，其特征在于，反馈手套(6)的手心为裸露结构。

说明书

一种多反馈模态的主动加强式训练系统及其操作方法

技术领域

[0001] 本发明属于医疗康复设备技术领域，具体涉及一种多反馈模态的主动加强式训练系统及其操作方法。

背景技术

[0002] 随着人们生活水平的提高、生活方式的改变，中风发病率逐年升高且出现年轻化趋势。中风患者中，只有少量轻微中风患者能够得到较好的运动功能康复，大部分患者都会遗留下运动障碍问题，严重影响了患者及其家庭的生活质量。中风后的训练对患者运动能力的恢复至关重要，传统的中风康复有物理治疗、作业治疗、针灸等，这些治疗方法大多以治疗患肢或被动训练为主，没有有目的的针对大脑损伤区进行有效训练康复。

[0003] 近几年，康复医学与计算机技术、机器人技术和脑机接口技术结合后迅速发展，出现了基于脑机接口技术的中风训练系统，且取得了初步成果。然而，目前的基于脑机接口的训练系统均无法比较全面地激活大脑的运动回路。现有的系统大多要求患者去想象运动，然后用运动意图去控制电脑屏幕上的光标移动、机械假肢的运动、左右手的选择或控制机械手臂等。这些没有形成完整的运动回路反馈，大大降低了脑机接口应用于康复领域的康复效果，而且由于患者大脑中风损伤，会出现较多无法进行运动想象的患者，从而导致以上系统经常无法正常使用；另外，由于目前脑机接口技术上的限制，在运动识别方面可识别的意图较少，目前基于脑机接口的中风康复系统枯燥乏味，代入感差，易使得患者丧失康复信心。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多反馈模态的主动加强式训练系统及其操作方法，对不同中风患者进行针对性的强化反馈训练，增强患者大脑意图产生后的调制能力，形成更趋近于正常人运动的反馈回路，从而加速大脑神经重塑。

[0005] 本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种多反馈模态的主动加强式训练系统，包括显示器、用于主动意图识别的计算机和脑电电极、用于反馈的反馈手套和机械外骨骼，反馈手套和机械外骨骼设置在患者的患侧手部，显示器用于对患者产生刺激，脑电电极采集患者受到的外界刺激，通过计算机进行主动意图识别并通过反馈手套持续保持物体感反馈及持续意图反馈，当达到设定意图强度后驱动机械外骨骼带动患者的患侧完成训练。

[0007] 具体的，在反馈手套的手背处分布有多个手背等级式震动模块，手背等级式震动模块为单点控制方式。

[0008] 进一步的，手背等级式震动模块由多个震点按4×4阵列排列组成；震点震动数目对应主动运动意图的累加强度，包括7级，一级为1个震点震动，二级为2个震点震动，三级为3个震点震动，四级为4个震点震动，五级为8个震点震动，六级为12个震点震动，七级为16个震点震动。

[0009] 具体的，在反馈手套的指背处分布有多个指背震动振子，指背震动振子的单指为分离控制方式，同一根手指单指震点沿手指背面呈直线分布，指背震动振子的控制为多点同步控制。

[0010] 更进一步的，指背震动振子为单指屈的张感刺激，当所对应的手指执行伸的动作时，指背震动振子产生同步震动。

[0011] 进一步的，在反馈手套的五个指尖处分别设置有指尖震动振子，指尖震动振子的每个震点为单独控制方式。

[0012] 更进一步的，指尖震动振子为单指屈的握感刺激，当所对应的手指执行屈的动作时，指尖震动振子产生同步震动。

[0013] 具体的，反馈手套的手心为裸露结构。

[0014] 一种多反馈模态的主动加强式训练系统的操作方法，包括以下步骤：

[0015] S1、将反馈手套及机械外骨骼穿戴于患者患侧，多通道脑电电极布置与患者头皮处，显示器位于患者正前方；

[0016] S2、患者执行运动想象活动，显示器播放运动动作形成视觉刺激，刺激患者大脑的镜像神经元，同时和视频同步的手指分为待屈手指和待伸手指，反馈手套中待屈手指对应手指执行指尖震动振子震动，待伸手指执行指背震动振子震动，分别形成手部的握感和张感，刺激大脑运动回路相关区域的激活；

[0017] S3、多通道脑电电极采集脑电数据并传输到计算机，计算机对信号进行预处理，然后短时时间窗截取，识别主动意图，如果判定主动意图为非运动想象，则重新用时间窗截取信号，若判定主动意图为运动想象则主动状态存储变量S加1，同时手背等级式震动模块形成S级震动，形成对于患者手部及大脑的持续性触动感反馈，如此循环，完成多反馈模态的主动加强式训练。

[0018] 具体的，在每一个存储变量S变化后，对存储变量S进行判定，如果存储变量S没有达到最高级别震动等级，继续回到时间窗截取信号阶段；如果存储变量S达到最高等级震动，则在保持持续震动基础上驱动机械外骨骼形成动觉反馈，同时将主动存储变量S置零。

[0019] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0020] 本发明一种多反馈模态的主动加强式训练系统，反馈手套和机械外骨骼设置在患者的患侧手部，通过触觉最敏感的部位(指尖)及指背，给出了单手指完全性的张感和握感，更好地调制大脑信号；在执行运动想象的同时，肢体任务型视频对患者产生刺激，脑电电极采集患者受到的外界刺激，通过计算机进行主动意图识别并通过反馈手套持续保持物体感反馈及持续意图反馈，当达到设定意图强度后驱动机械外骨骼带动患者的患侧完成训练，能够更加贴近自然地给与瘫软期或完全丧失运动能力的中风患者主动性模式及反馈；多感觉刺激融合(视觉与张握感)刺激，更能提高患者执行运动想象的效率，进而提高脑机接口的效率。

[0021] 进一步的，手背处分布有手背等级式震动模块，相比与机械手的运动反馈，震动反馈没有起止限制的，这样就使得大脑信号短时的意图可以持续地通过手背等级式震动反馈给患者，增加运动想象期间患者与系统的交互性。

[0022] 进一步的，手背等级式震动模块的布置形式为4×4震点，并设置7级震动，7级震动使得震动反馈具有时间上的特性，而4×4震点布置使得震动强度的变化伴随着空间上的特性，更好地增加不同等级间触觉的可区分性。

[0023] 进一步的，指背处分布有多个指背震动振子，单指为分离控制方式，同一根手指单指震点沿手指背面呈直线分布，指背震动振子的控制为多点同步控制，其中，单指分离控制使得设备可以在执行不同的手部动作时获得不同的张握感，另外，由于手背触觉敏感性低于指尖敏感性，指背布置多个振子，多点同步控制增加振感。

[0024] 进一步的，指尖处分别设置指尖震动振子，每个震点为单独控制方式，其中指尖触觉敏感性很高，在指尖布置震动振子最合适，单指分离控制使得设备可以在执行不同的手部动作时获得不同的张握感。

[0025] 进一步的，手套的手心为裸露结构的设置，中风患者会存在肌张力过大的现象，普通手套难以穿戴，此设计为穿戴提供便利。

[0026] 本发明还公开了一种多反馈模态的主动加强式训练系统的操作方法，患者执行运动想象活动，显示器播放运动动作形成视觉刺激，刺激患者大脑的镜像神经元，同时和视频同步的手指分为待屈手指和待伸手指，反馈手套中待屈手指对应手指执行指尖震动振子震动，待伸手指执行指背震动振子震动，分别形成手部的握感和张感，刺激大脑运动回路相关区域的激活；多通道脑电电极采集脑电数据并传输到计算机，计算机对信号进行预处理，然后短时时间窗截取，识别主动意图，如果判定主动意图为非运动想象，则重新用时间窗截取信号，若判定主动意图为运动想象则主动状态存储变量S加1，同时手背等级式震动模块形成S级震动，形成对于患者手部及大脑的持续性触动感反馈，如此循环，完成多反馈模态的主动加强式训练，通过短时间窗地累加式意图判别，增加了脑机接口系统的抗干扰能力，轻微的短时误差不能决定性影响系统的性能；持续性等级震触感反馈及震动最高级的机械手驱动更大程度的反调制患者大脑信号，从而促进神经康复。

[0027] 综上所述，相比于传统反馈模式，本发明能够更加贴近自然地给与瘫软期或完全丧失运动能力的中风患者主动性模式及反馈；多感觉刺激融合(视觉与张握感)刺激，更能提高患者执行运动想象的效率，进而提高脑机接口的效率；通过触觉最敏感的部位(指尖)及指背，给出了单手指完全性的张感和握感，更好地调制大脑信号；短时间窗地累加式意图判别，增加了脑机接口系统的抗干扰能力，轻微的短时误差不能决定性影响系统的性能；持续性等级震触感反馈及震动最高级的机械手驱动更大程度的反调制患者大脑信号，从而促进神经康复。

[0028] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0029] 图1为本发明流程示意图；

[0030] 图2为本发明系统示意图；

[0031] 图3为本发明反馈手套手背示意图；

[0032] 图4为本发明反馈手套手心示意图；

[0033] 图5为本发明手背等级式震动模块等级示意图；

[0034] 图6为本发明训练系统流程图。

[0035] 其中：1.计算机；2.显示器；3.脑电电极；4.患者；5.机械外骨骼；6.反馈手套；7.手背等级式震动模块；8.指背震动振子；9.指尖震动振子。

具体实施方式

[0036] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0038] 本发明提供了一种多反馈模态的主动加强式训练系统及其操作方法，患者在执行运动想象的同时，收到外界视觉、握感和张感刺激，从而增强意图的产生，多通道脑电电极采集脑电信号，通过意图识别及状态存储变量的判断形成等级式持续性触动感反馈，当存储变量到达最大震动量后驱动机械外骨骼，外骨骼带动患者患侧形成动觉反馈，进而形成对大脑状态的反向调制。通过本系统训练模式更大程度地激活了大脑运动回路，促进了患者康复。

[0039] 请参阅图1，本发明一种多反馈模态的主动加强式训练系统，包括用于产生刺激的显示器2、用于主动意图识别的计算机1和脑电电极3、用于反馈的反馈手套6和机械外骨骼5，反馈手套6和机械外骨骼5设置在患者4的患侧手部，在执行运动想象的同时，脑电电极3收到外界刺激，增强意图的产生，之后通过计算机1进行主动意图识别并持续保持着物体感反馈及持续意图反馈，之后，当达到一定意图强度后驱动机械外骨骼5，机械外骨骼5带动患侧完成训练。

[0040] 请参阅图2，患者4坐在舒适的椅子上，显示器2位于患者4前方，多通道脑电电极3分布在患者4的头皮处，反馈手套6穿戴与患者4患侧手部，机械外骨骼5在患者4穿戴反馈手套6之后穿戴与患者4患侧手部。

[0041] 请参阅图3，在反馈手套6的手背处分布有多个手背等级式震动模块7，在反馈手套6的指背处分布有多个指背震动振子8。

[0042] 指背震动振子8单指为分离控制，同一根手指单指震点沿手指背面呈直线分布，控制为多点同步控制，指背震动振子8为单指屈的张感刺激，和显示器2播放的视觉刺激同步时，所对应的手指执行伸的动作时，指背震动振子8会产生同步震动；手背等级式震动模块7为单点控制。

[0043] 请参阅图4，在反馈手套6的指尖处分布有指尖震动振子9，在五指的尖处分别分布一个指尖震动振子9，每个震点为单独控制；反馈手套6手心为裸露设计；指尖震动振子9为单指屈的握感刺激，和显示器2播放的视觉刺激同步时，所对应的手指执行屈的动作时，指尖震动振子9会产生同步震动；

[0044] 请参阅图5，手背等级式震动模块7分布在反馈手套6的手背处，手背等级式震动模块7的布置形式为4×4震点；通过调节震点震动数目调节强度，震点震动数目对应主动运动意图的累加强度，分类7级，一级为1个震点震动，二级为2个震点震动，三级为3个震点震动，四级为4个震点震动，五级为8个震点震动，六级为12个震点震动，七级为16个震点震动。

[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0046] 请参阅图6，本发明一种多反馈模态的主动加强式训练系统的操作过程如下：

[0047] 将反馈手套6及机械外骨骼5穿戴于患者患侧，多通道脑电电极3布与患者头皮处，显示器2位于患者4正前方。

[0048] 患者4执行运动想象活动，显示器2播放一定的运动动作，形成视觉刺激，刺激患者大脑的镜像神经元，同时和视频同步的手指分为待屈手指和待伸手指，反馈手套6中待屈手指对应手指执行指尖震动振子9震动，待伸手指执行指背震动振子8震动，分别形成手部的握感和张感，更大化的刺激大脑运动回路相关区域的激活。

[0049] 同时，多通道脑电电极3采集脑电数据，传输到计算机1，计算机内首先对信号进行预处理，之后短时时间窗截取，识别主动意图，如果判定主动意图为非运动想象，则重新用时间窗截取信号，若判定主动意图为运动想象则主动状态存储变量S加1，同时手背等级式震动模块形成S级震动，形成对于患者手部及大脑的持续性触动感反馈。在每一个S变化后，都会判定存储变量S是否到达最高级别震动等级，如果没有达到，继续回到时间窗截取信号阶段，如果达到最高等级震动，则在保持持续震动基础上驱动机械外骨骼5，形成动觉反馈，同时将主动存储变量置零。如此循环，完成多反馈模态的主动加强式训练。

[0050] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。