基于脑机接口的坐站训练控制方法及坐站训练系统与流程

1.本发明涉及一种基于脑机接口的坐站训练控制方法及坐站训练系统。适用于康复训练设备领域。


背景技术：

2.我国是当今世界老年人数最多的国家，2019年底，已有60岁及以上老年人口2.54亿，预计2025年将突破3亿，人口老龄化问题日益严峻。老年人普遍面临着各种慢性病和人体机能的衰退，而下肢的坐站转换功能缺失、行走站立能力减弱是最普遍的问题。此外，脑卒中患者、偏瘫患者、截瘫患者、脊髓损伤患者等下肢功能障碍患者也迫切需要进行坐站训练，以此摆脱长期卧床带来的肌肉萎缩、关节僵硬、压疮等问题，并为后续行走训练做准备。可以说，坐站转换动作是人体从坐姿到其它动作的转换动作，也是下肢功能障碍患者首先要恢复和训练的基础动作。坐站转换功能的恢复对下肢障碍患者具有十分重要的意义。
3.规律而科学的康复辅助训练配以合适的医疗辅助器械对恢复和提高下肢坐站转换功能十分有效，能有效地帮助患者恢复受限的肢体功能，提高他们的日常生活能力。传统的康复训练方法存在着训练内容枯燥、训练效果不理想、康复数据难以量化、治疗资源有限等问题。
4.近年来，随着科学技术的发展，出现了一些通过计算机技术、多媒体技术辅助患者训练的方法。这些方法虽然能够在一定程度上提高康复训练的趣味性，但是缺乏大脑神经系统的直接参与，无法在神经康复工作中发挥作用，导致康复效果并不理想。脑机接口技术可以在没有周围神经和肌肉的正常传输通路的情况下使得人与外界环境进行交互，替代部分肢体功能，有效帮助大脑受损功能进行重塑，增强康复训练的效果。将脑机接口技术应用于康复训练领域是未来的一大趋势。
5.市场上常见的坐站功能训练产品多依赖于治疗师辅助，部分产品要求下肢具有较高肌力或需患者上肢提供辅助力而限定了使用人群，部分产品通过悬吊绳进行减重训练容易牵拉骨盆使患者感觉不适。此外，大多数产品不能够对患者的训练数据进行自动评估。目前国内外市场均无集评估、训练、监测为一体的主动坐站训练产品。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于脑机接口的坐站训练控制方法及坐站训练系统。
7.本发明所采用的技术方案是：一种基于脑机接口的坐站训练控制方法，其特征在于：
8.获取用户利用坐站训练设备进行坐站训练时的脑电数据和坐站训练数据，坐站训练数据包括用户自身的运动数据和用户对坐站训练设备的压力数据；
9.基于脑电数据评估和监测用户的主动运动意图；
10.基于用户的主动运动意图向用户提供能增强用户训练主动性的多重反馈刺激；
11.基于用户自身的运动数据和对坐站训练设备的压力数据监测用户的重心偏移情况和上肢及健侧代偿情况；
12.根据上肢及健侧代偿情况控制坐站训练设备为用户提供辅助用户完成坐站训练的助力或阻力；
13.根据用户的脑电数据和坐站训练数据评估用户的恢复情况，恢复情况的评估包括坐站功能评估、脑功能评估、平衡功能评估，其中坐站功能评估根据用户训练中的运动数据评估，脑功能评估根据用户的脑电数据变化评估，平衡功能根据重心偏移情况评估。
14.所述用户自身的运动数据包括用户进行坐站训练的肌力情况、完成坐站动作的时间、坐站动作关节角度、坐站动作速度和重心位移。
15.所述用户对坐站训练设备的压力数据包括用户足底对设备的压力、用户对座垫的压力和用户对扶手的压力。
16.所述多重反馈刺激包括根据用户主动运动意图进行控制的多重反馈和/或主动运动意图较弱时辅助用户进行自主运动想象的多重刺激。
17.一种基于脑机接口的坐站训练控制装置，其特征在于：
18.数据获取模块，用于获取用户利用坐站训练设备进行坐站训练时的脑电数据和坐站训练数据，坐站训练数据包括用户自身的运动数据和用户对坐站训练设备的压力数据；
19.意图评估模块，用于基于脑电数据评估和监测用户的主动运动意图；
20.反馈刺激模块，用于基于用户的主动运动意图向用户提供能增强用户训练主动性的多重反馈刺激；
21.训练监测模块，用于基于用户自身的运动数据和对坐站训练设备的压力数据监测用户的重心偏移情况和上肢及健侧代偿情况；
22.辅助控制模块，用于根据上肢及健侧代偿情况控制坐站训练设备为用户提供辅助用户完成坐站训练的助力或阻力；
23.恢复评估模块，用于根据用户的脑电数据和坐站训练数据评估用户的恢复情况，恢复情况的评估包括坐站功能评估、脑功能评估、平衡功能评估，其中坐站功能评估根据用户训练中的运动数据评估，脑功能评估根据用户的脑电数据变化评估，平衡功能根据重心偏移情况评估。
24.所述用户自身的运动数据包括用户进行坐站训练的肌力情况、完成坐站动作的时间、坐站动作关节角度、坐站动作速度和重心位移。
25.所述用户对坐站训练设备的压力数据包括用户足底对设备的压力、用户对座垫的压力和用户对扶手的压力。
26.所述多重反馈刺激包括根据用户主动运动意图进行控制的多重反馈和/或主动运动意图较弱时辅助用户进行自主运动想象的多重刺激。
27.一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现任意一项所述基于脑机接口的坐站训练控制方法的步骤。
28.一种基于脑机接口的坐站训练系统，其特征在于，包括：
29.脑电采集设备，用于采集用户的脑电数据；
30.坐站训练设备，用于辅助用户完成坐站训练并采集用户坐站训练过程中的坐站训练数据；
31.反馈刺激设备，用于向用户提供多重反馈刺激；
32.数据分析设备，与所述脑电采集设备、坐站训练设备和反馈刺激设备电连接，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现任意一项所述基于脑机接口的坐站训练控制方法的步骤。
33.本发明的有益效果是：本发明通过脑机接口技术与坐站康复训练结合，帮助用户进行早期主动康复，降低并发症。本发明强调了用户主动参与训练的意识，有助于刺激用户运动神经通道的重塑，有效促进大脑功能重组。
34.本发明可以根据患者自身的情况智能调节坐站训练设备对用户坐站训练的阻力或助力，进行有针对性的渐进式训练，可有效提高患者训练效率，使患者增强肌力、提高康复信心。
35.本发明通过分析用户脑电数据和运动数据，能够监测用户主动参与情况和重心偏移情况，监测上肢及健侧代偿情况，提高训练效率。根据这些监测的情况，可以及时给出引导和提示，包括语音、画面、震动等，方便用户及时调整动作，提高效率，防止跌倒风险。
36.本发明通过丰富有趣的交互式游戏，借助虚拟或实物模型的反馈表现形式，不仅可以在设备屏幕上为用户提供运动影像与声音反馈，还可以通过设备震动为用户提供触觉反馈，帮助用户进行动作调整。通过多重反馈，不仅为用户提供沉浸式的体验，增加了康复训练的趣味性，而且增强用户运动学习效率，提升了康复效果。
37.本发明帮助用户进行坐站训练，集训练、评估、监测为一体，为用户提供客观量化的评估，训练时间及强度不受限制，减少康复训练对治疗师的依赖。
附图说明
38.图1为本实施例的一种基于脑机接口的坐站训练控制方法实施流程图；
39.图2为本实施例的一种基于脑机接口的坐站训练控制装置功能模块图。
40.图中：1、数据获取模块；2、意图评估模块；3、反馈刺激模块；4、训练监测模块；5、辅助控制模块；6、恢复评估模块。
具体实施方式
41.本实施例为一种基于脑机接口的坐站训练控制方法，具体步骤如下：
42.s1、获取用户利用坐站训练设备进行坐站训练时的脑电数据和坐站训练数据，坐站训练数据包含力、位移、角度、速度、时间等几个方面的数据，该坐站训练数据包括用户自身的运动数据和用户对坐站训练设备的压力数据。
43.用户自身的运动数据包括用户进行坐站训练的肌力情况、完成坐站动作的时间、坐站动作关节角度、坐站动作速度和重心位移等；用户对坐站训练设备的压力数据包括用户足底对设备的压力、用户对座垫的压力和用户对扶手的压力等。
44.s2、基于脑电数据评估和监测用户的主动运动意图，通过用户的主动运动意图来监测用户主动参与训练的程度。
45.s3、基于用户的主动运动意图向用户提供能增强用户训练主动性的多重反馈刺激，多重反馈刺激包括根据用户主动运动意图进行控制的多重反馈和用户主动运动意图较弱时辅助用户进行自主运动想象的多重刺激。
46.s4、基于用户自身的运动数据和对坐站训练设备的压力数据监测用户的重心偏移情况和上肢及健侧代偿情况。
47.本例中通过对用户在完成坐站动作过程中健侧和患侧用力情况的对比分析，结合足底压力和座垫压力的分布，可完成对用户重心移动的监测和上肢及健侧代偿情况的监测。
48.s5、根据上肢及健侧代偿情况控制坐站训练设备为用户提供坐站的助力或阻力，以辅助用户完成坐站训练。
49.s6、根据用户的脑电数据和坐站训练数据评估用户的恢复情况，恢复情况的评估包括坐站功能评估、脑功能评估、平衡功能评估，其中坐站功能评估根据用户训练中的运动数据评估，脑功能评估根据用户的脑电数据变化评估，平衡功能根据重心偏移情况评估。
50.本实施例还提供一种基于脑机接口的坐站训练控制装置，包括数据获取模块、意图评估模块、反馈刺激模块、训练监测模块、辅助控制模块和恢复评估模块。
51.本例中数据获取模块用于获取用户利用坐站训练设备进行坐站训练时的脑电数据和坐站训练数据，坐站训练数据包括用户自身的运动数据和用户对坐站训练设备的压力数据；意图评估模块用于基于脑电数据评估和监测用户的主动运动意图；反馈刺激模块用于基于用户的主动运动意图向用户提供能增强用户训练主动性的多重反馈刺激；训练监测模块用于基于用户自身的运动数据和对坐站训练设备的压力数据监测用户的重心偏移情况和上肢及健侧代偿情况；辅助控制模块用于根据上肢及健侧代偿情况控制坐站训练设备为用户提供辅助用户完成坐站训练的助力或阻力；恢复评估模块用于根据用户的脑电数据和坐站训练数据评估用户的恢复情况，恢复情况的评估包括坐站功能评估、脑功能评估、平衡功能评估，其中坐站功能评估根据用户训练中的运动数据评估，脑功能评估根据用户的脑电数据变化评估，平衡功能根据重心偏移情况评估。
52.本实施例还提供一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本实施例基于脑机接口的坐站训练控制方法的步骤。
53.本实施例还提供一种基于脑机接口的坐站训练系统，包括脑电采集设备、坐站训练设备、反馈刺激设备和数据分析设备。
54.本例中脑电采集设备用以获取用户的脑电信息数据，包括至少一套脑电采集设备，可以是非侵入式、半侵入式或侵入式的设备。采集电极可以是干电极、半干电极、湿电极或盘状电极等。采集通道通常是8导联，也可以是4导联、16导联、64导联等。包含脑电信号处理器，可对采集到的脑电信号进行特征提取和分类。脑电信号特征提取方法包括有谱分析、自回归分析、共空间模式、源重建等。脑电信号分类算法包括线性判别分析、支持向量机分析、人工神经网络、模糊系统等。
55.本例中坐站训练设备用于辅助用户完成坐站训练并采集用户坐站训练过程中的坐站训练数据，此外还可以提供部分反馈(触觉反馈等)。本实施例中坐站训练设备具有供用户坐并能采集用户进行坐站训练过程中的足底压力、座垫压力和扶手压力数据的座椅，座椅具有各种传感器，如压力传感器、握力传感器、位移传感器、光学运动捕捉系统等，用以获取用户训练中的运动数据。
56.本实施例中反馈刺激设备能够在训练中为用户提供多重反馈，包括一种或多种反馈方式。反馈方式可以是视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉等。进一步地，视觉反馈可以包括镜像
反馈、虚拟现实、动画模拟等虚拟反馈，也可以包括外设模型等实物反馈，如游戏赛车、足球机器人等。进一步地，触觉反馈包括位置控制和触觉引导，触觉反馈可以增强环境产生体感刺激诱导神经可塑性。进一步地，听觉反馈可以包括目标达成的提示音和未达成的鼓励等，用来减少感知和认知的工作负荷。多感觉反馈在学习控制人类大脑信号和重建被中断的感觉运动环路中起重要作用，多模式刺激和多模式反馈可以增强运动学习，更有利于康复。
57.本实施例中通过对用户完成坐站训练中肌力的监测，可以获取用户在完成坐站动作过程中肌肉发力情况。根据肌力数据，系统不仅可以对用户的恢复情况进行评估，还可以将肌力情况通过动画模拟建模，借助反馈刺激设备的视觉反馈装置直接反馈给用户。
58.本实施例中反馈刺激设备还能够向用户提供视觉或听觉刺激，以辅助患者进行自主运动想象，视觉刺激包括向患者呈现自身或他人的运动影像，听觉刺激可以是与肢体运动相关的一段描述，呈现的方式可以是演讲、故事、音乐等。进一步地，运动影像呈现的方式可以是利用计算机显示设备播放人体运动的影像；可以是通过计算机显示设备和传感器模拟用户肢体的运动；也可以是利用虚拟现实技术呈现肢体的运动等。本实施例中披露的用户运动意图还可以是用户通过运动观察等行为，基于镜像神经元系统显著激活大脑运动中枢。这种情况下产生的脑电信号可以是运动视觉诱发电位，包括瞬态运动视觉诱发电位和稳态运动视觉诱发电位。进一步地，视觉刺激包括呈现一定频率快闪的视觉模块。视觉模块包括不同的形状、亮度、颜色、位置、方向等。这种情况下的脑电信号也可以是患者在外界刺激下产生的事件相关电位。进一步地，视觉或听觉刺激包括在大概率呈现的视觉/听觉模块序列呈现概率很小的视觉/听觉模块。视觉刺激模块包括不同的形状、亮度、颜色、位置、方向等。听觉刺激模块可以是声音的频率、响度、音质以及持续时间等，也可以是元音、音节、单词、问句、陈述句等形式，呈现方式可以是演讲、故事、音乐等。
59.本例中数据分析设备与脑电采集设备、坐站训练设备和反馈刺激设备电连接，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现本实施例基于脑机接口的坐站训练控制方法的步骤。
60.本实施例中数据分析设备和反馈刺激设备可集成于一台带有显示屏幕的计算机设备上，计算机设备可以是台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。
61.本实施例中通过对训练过程中用户的脑电信号数据进行分析，可对用户的运动意图进行评估和实时监测。本例中用户运动意图可以是通过运动想象直接激发大脑运动皮层产生，也可以是反馈刺激设备提供的视觉或听觉刺激辅助患者进行自主运动想象产生。
62.本实施例中用户需佩戴好脑电采集设备，并掌握本系统的使用方法，根据自身实际所处的康复阶段，在设备上选择合适的康复方案。系统根据用户的脑电信号特征和训练情况进行评估、监测和反馈。本系统通过计算用户的主动运动意图来监测用户主动参与训练的程度；通过多款虚拟现实交互游戏，增强患者训练的主动性；通过分析用户坐站动作过程中的用力情况，进行重心监测和代偿监测，并通过设备上的触觉反馈提示在用户进行重心转移训练时进行提示；通过显示屏和设备为用户提供视觉、听觉、触觉等多重感觉反馈；通过分析采集到的脑电信号数据和运动数据评估用户训练后的脑功能变化和坐站转换能力的变化。