一种基于表面肌电的神经反馈康复干预系统及方法与流程

本发明涉及神经运动康复技术领域，具体涉及一种基于表面肌电的神经反馈康复干预系统及方法。

背景技术：

脑卒中具有相当高的发病率、致残率和死亡率，已经对人类的健康构成了巨大的威胁。脑卒中患者的致残率极高，其中属瘫痪最为常见。这些患者的生活往往难以完全自理，需要家人照料，给患者家属带来很大压力，同时也给社会增加了巨大负担。因此帮助脑卒中患者恢复运动功能，不仅仅是一个康复问题，更是一个不可忽视的社会问题。研究表明，及时进行一定程度的集中和重复训练可以修复受损的中枢神经，有助于肢体运功功能的恢复。人类从事精细复杂活动时主要依赖上肢，上肢运动功能状态对日常生活质量有直接影响，因此中风患者上肢运动功能障碍的康复是现代康复领域一个重要的研究热点。

在卒中康复中，利用表面肌电信号指导康复训练是目前公认有前途的解决方案。表面肌电信号是一系列受神经支配的肌肉纤维在运动神经元的触发作用下产生的电活动的总和。因其非侵入性，容易获取以及富含神经元信号，被广泛应用于人机交互。但是在该解决方案中，如何将表面肌电信号转化为患者可以识别的信息并实时指导其进行康复训练的问题尚待解决。

技术实现要素：

为解决现有技术的上述缺陷，本发明利用神经反馈技术(neurofeedback)，将外部表征不明显的神经生理活动转化成“声光电”等可以直接被人体感知的物理形式，让患者在“感知增强(sensory augmentation)”的环境下进行主动康复训练以恢复身体功能。我们提出设计基于实时肌电信号的神经反馈系统，辅助脑卒中患者进行上肢运动功能障碍的康复。将患者错误的肌肉激发模式实时告知患者，引导患者的肌肉控制模式朝向正确的康复方向而改进。

本发明具体通过以下技术方案实现：

本发明一方面提供了一种基于表面肌电的神经反馈康复干预系统，该系统包括：表面肌电信号采集器模块、信号传输模块、肌电信号处理模块、主控制器模块和神经反馈干预模块；

上述表面肌电信号采集器模块实时采集使用者的肌肉激发神经信号，并通过信号传输模块将该肌肉激发神经信号传递至肌电信号处理模块；该肌电信号处理模块与主控制器模块相连，该肌电信号处理模块实时进行滤波与神经反馈信号转换并生成神经反馈干预策略，该主控制器模块将神经反馈干预策略通过信号传输模块传递至神经反馈干预模块，对康复训练进行干预。

进一步地，上述表面肌电信号采集器模块是可穿戴式的，穿戴形式包括绑带或袖套。

进一步地，上述信号传输模块通过WiFi无线网络进行信号传输，能在保证延时要求的情况下确保大通量数据传输。

进一步地，上述肌电信号处理模块具有对肌电信号的分析与处理功能，其被设置为根据使用者肌电信号模式与预期模式的差异，实时计算出所述神经反馈信号。

进一步地，上述主控制器模块通过TCP/IP协议连接到一个或分别连接到若干个神经反馈干预模块。

进一步地，上述神经反馈干预模块是可穿戴式的，穿戴形式包括绑带或袖套；该神经反馈干预模块被设置为根据需求切换包括声、光、电刺激或体表震动的神经反馈模组；反馈时调节的参数包括声音频率、声音强度、声音音色、光闪动频率、光颜色、光呈现的形态、电刺激幅度、电刺激频率、电刺激脉冲宽度、体表震动强度、体表震动频率或体表震动位置中的一种或几种。

进一步地，上述神经反馈策略包括“感知增强”和“感知抑制”两种模式，所述“感知增强”模式可以将正确的肌肉运动模式进行增强放大，而所述“感知抑制”模式可以将不符合康复要求的错误肌肉激发模式进行削弱抑制。

进一步地，上述表面肌电信号采集器模块和/或神经反馈干预模块是多通道的。

进一步地，上述表面肌电信号采集器模块和神经反馈干预模块，既可以分离使用，也可以拼接成一个部件使用。

本发明另一方面提供了一种基于表面肌电的神经反馈康复干预方法，包括以下步骤：

步骤1、使用者穿戴上述神经反馈康复干预系统中的表面肌电信号采集器模块和神经反馈干预模块；利用该表面肌电信号采集器模块实时采集使用者的肌肉激发神经信号；

步骤2、上述神经反馈康复干预系统中的信号传输模块将该肌肉激发神经信号传递至肌电信号处理模块，该肌电信号处理模块实时进行滤波与神经反馈信号转换并生成神经反馈干预策略；

步骤3、上述神经反馈康复干预系统中的主控制器模块将该神经反馈干预策略通过信号传输模块传递至神经反馈干预模块，对使用者的康复训练进行干预。

本发明可以在患者进行康复训练时，将患者不易直接感知的肌肉活动转化为声、光、电刺激、体表震动等其他神经感觉模式，从而做出精确到特定的某一块肌肉的康复指导。由于本发明采用的神经反馈干预系统和其控制方法能将患者错误的肌肉激发模式实时告知患者，所以能够引导患者的肌肉控制模式朝向正确的康复方向而改进。

以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

附图说明

图1示出了本发明一种基于表面肌电的神经反馈康复干预系统的运行流程示意图；

图2示出了本发明较优实施例中的一种基于表面肌电的神经反馈康复干预系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明的基于表面肌电的神经反馈康复干预系统包括五个模块，分别是：表面肌电信号采集器模块、信号传输模块、肌电信号处理模块、主控制器模块和神经反馈干预模块。其中表面肌电信号采集器模块实时采集使用者(例如脑卒中患者)的肌肉激发神经信号，并通过信号传输模块将该肌肉激发神经信号传递至肌电信号处理模块；该肌电信号处理模块与主控制器模块相连，肌电信号处理模块实时进行滤波与神经反馈信号转换并生成神经反馈干预策略，主控制器模块将神经反馈干预策略通过信号传输模块传递至神经反馈干预模块，对康复训练进行干预。

实施例1

如图2所示，在脑卒中患者的一次康复训练过程中，当医师发出指令后，以绑带形式穿戴于患者身上的表面肌电信号采集器模块对患者的肌肉激发神经信号进行采集。采集到的肌肉激发神经信号通过WiFi无线网络与肌电信号处理模块进行通信，这样可在满足延时要求的情况下确保高数据通量。肌电信号处理模块采用Python及C++开发环境完成，基于该环境所提供的浮点科学运算功能实现表面肌电的信号滤波功能，以及声光电转换时的信号处理功能。肌电信号处理模块实时进行滤波与神经反馈信号转换，根据使用者肌电信号模式与预期模式的差异，生成神经反馈策略，并交由主控制器模块执行。主控制器模块通过TCP/IP网络协议将神经反馈策略传递至以绑带形式穿戴于患者身上的神经反馈干预模块，将患者不易直接感知的肌肉活动转化为体表电刺激或体表震动，在神经反馈的过程中，反馈参数例如电刺激幅度、电刺激频率、电刺激脉冲宽度、体表震动强度、体表震动频率、体表震动位置等将随着表面肌电的读数变化而实时变化，从而做出精确到某一块肌肉的康复指导。神经反馈策略包含“感知增强”和“感知抑制”两种模式，既可以将正确的肌肉运动模式进行增强放大，又可以将不符合康复要求的错误肌肉激发模式进行削弱抑制，大大提高了康复指导的精确性。

实施例2

在脑卒中患者的一次康复训练过程中，当医师发出指令后，以袖套形式穿戴于患者身上的表面肌电信号采集器模块对患者的肌肉激发神经信号进行采集。采集到的肌肉激发神经信号通过WiFi无线网络与肌电信号处理模块进行通信，这样可在满足延时要求的情况下确保高数据通量。肌电信号处理模块采用Python及C++开发环境完成，基于该环境所提供的浮点科学运算功能实现表面肌电的信号滤波功能，以及声光电转换时的信号处理功能。肌电信号处理模块实时进行滤波与神经反馈信号转换，根据使用者肌电信号模式与预期模式的差异，生成神经反馈策略，并交由主控制器模块执行。主控制器模块通过TCP/IP网络协议将神经反馈策略传递至以袖套形式穿戴于患者身上的神经反馈干预模块，将患者不易直接感知的肌肉活动转化为频率、强度、音色可变的声音，在神经反馈的过程中，声音反馈参数例如频率、强度、音色等将随着表面肌电的读数变化而实时变化，从而做出精确到某一块肌肉的康复指导。神经反馈策略包含“感知增强”和“感知抑制”两种模式，既可以将正确的肌肉运动模式进行增强放大，又可以将不符合康复要求的错误肌肉激发模式进行削弱抑制，大大提高了康复指导的精确性。

实施例3

在脑卒中患者的一次康复训练过程中，当医师发出指令后，以袖套形式穿戴于患者身上的表面肌电信号采集器模块对患者的肌肉激发神经信号进行采集。采集到的肌肉激发神经信号通过WiFi无线网络与肌电信号处理模块进行通信，这样可在满足延时要求的情况下确保高数据通量。肌电信号处理模块采用Python及C++开发环境完成，基于该环境所提供的浮点科学运算功能实现表面肌电的信号滤波功能，以及声光电转换时的信号处理功能。肌电信号处理模块实时进行滤波与神经反馈信号转换，根据使用者肌电信号模式与预期模式的差异，生成神经反馈策略，并交由主控制器模块执行。主控制器模块通过TCP/IP网络协议将神经反馈策略传递至以袖套形式穿戴于患者身上的神经反馈干预模块，将患者不易直接感知的肌肉活动转化为闪动频率、颜色、呈现形态可变的光学显示，在神经反馈的过程中，光学显示的反馈参数例如闪动频率、颜色、呈现形态等将随着表面肌电的读数变化而实时变化，从而做出精确到某一块肌肉的康复指导。神经反馈策略包含“感知增强”和“感知抑制”两种模式，既可以将正确的肌肉运动模式进行增强放大，又可以将不符合康复要求的错误肌肉激发模式进行削弱抑制，大大提高了康复指导的精确性。

实施例4

在上述实施例中，肌电信号采集器模块与后端的神经反馈干预模块是分离使用的。为了进一步提高患者使用的方便性，可以将这两个模块拼接成一个部件，在本实施例中，患者只需要佩戴一个集合了上述两个模块的绑带或袖套，即可实现神经反馈干预系统的功能。

实施例5

在上述实施例中提到的声、光、电刺激、体表震动等反馈方式既可以单独应用，又可以根据需要灵活组合在一起应用。例如对于一个听力不好的老年脑卒中患者，可以同时选择光和电刺激这两种反馈方式，通过例如光颜色和电刺激幅度参数的变化对其进行康复指导。各种反馈方式及反馈参数的组合，均在本发明的保护范围以内。

由于本发明采用的神经反馈干预系统和其控制方法能将患者错误的肌肉激发模式实时告知患者，所以能够引导患者的肌肉控制模式朝向正确的康复方向而改进。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。