[发明专利]一种基于脑-机-肌信息环路的助行机器人系统

说明书

本发明公开了一种基于脑‑机‑肌信息环路的助行机器人系统，所述系统包括：计算机实时处理脑电数据与肌电数据，通过分析脑电数据和肌电数据中的运动相关特征，实时获取用户的运动意图；计算机获得用户有运动意图信息以及运动状态信息后，送入混合助行驱动模型，输出两种控制参数分别控制神经肌肉电刺激仪和机械外骨骼；第一控制参数用于控制神经肌肉电刺激仪在有运动意图的迈腿侧施加电刺激进而驱动意图侧产生抬腿动作；第二控制参数用于控制机械外骨骼调节重心角度进而维持站立和行走转换中的平衡；计算机以神经可塑性为指标，优化协同脑机信息交互模块、机肌信息交互模块、以及脑肌信息交互模块组成的环路模型，建立高紧密性脑‑机‑肌信息环路模型的助行机器人系统。

技术领域

本发明涉及神经工程与康复领域，尤其涉及一种基于脑-机-肌信息环路的助行机器人系统。

背景技术

大脑的可塑性变化才是运动机能障碍患者康复的最本质因素，正确利用中枢神经可塑性变化对预测和加快康复进程尤为重要。中枢神经可塑性是指大脑受到诸如行为、环境、情绪的变化、特别是神经通路和身体受损的影响，从而产生了一系列神经通路或者突触连接的变化。中枢神经可塑性发生在多个不同的层面，从由于学习而产生的神经元细胞尺度变化到因为伤害而激发的皮层网络大规模重新映射。中枢神经可塑性在健康发展、学习、记忆以及脑损伤和恢复的作用已成为共识。

多项研究指出，无论是残疾人或正常人，在日常的学习或训练的过程中，大脑均受到这两种可塑性变化相互作用的影响，从而对学习训练效果产生直接或间接的影响。因此，在患者参与康复训练的过程中，必须遵循中枢神经可塑性这一基本准则，方能有效提升患者对康复设备的适应性和其本身的康复疗效。

传统脑卒中康复手段有：药物疗法、针灸疗法、被动式电刺激疗法、等速运动训练器等，这些方法的共性是患者接受被动式治疗、得到被动的康复效果。而近年新开发的基于脑-机接口(brain computer interface，BCI)的脑控康复机器人技术，如减重步行器、机械外骨骼Exo，特别是联合BCI和功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)的BCI-FES等新兴的康复手段，由于直接利用患者的大脑主观意念信号主动操作外部康复设备运行，属于主动式康复手段，其疗效有明显提升。但是，这类主动式康复治疗对中枢神经可塑性的具体影响机制尚不明确，如何根据该作用机理设计性能最优的BCI系统和制订效果最佳的训练计划尚缺乏科学依据。

发明内容

本发明提供了一种基于脑-机-肌信息环路的助行机器人系统，本发明解决了传统康复训练形式单一、无法完成主动式康复训练的瓶颈，重视诱导中枢神经可塑性变化对康复的潜在促进作用。进一步研究可以得到完善的助行机器人系统，有望获得可观的社会效益和经济效益，详见下文描述：

一种基于脑-机-肌信息环路的助行机器人系统，所述系统包括：计算机、神经肌肉电刺激仪和机械外骨骼，

结合神经肌肉电刺激仪和机械外骨骼搭建助行机器人的混合神经肌骨动力系统框架；

在计算机中建立助行神经机器人中脑-机-肌协同交互信息环路模型，该模型由脑机信息交互模块、机肌信息交互模块、以及脑肌信息交互模块组成；

计算机实时处理脑电数据与肌电数据，通过分析脑电数据和肌电数据中的运动相关特征，实时获取用户的运动意图；

计算机获得用户有运动意图信息以及运动状态信息后，送入混合助行驱动模型，输出两种控制参数分别控制神经肌肉电刺激仪和机械外骨骼；

第一控制参数用于控制神经肌肉电刺激仪在有运动意图的迈腿侧施加电刺激进而驱动意图侧产生抬腿动作；

第二控制参数用于控制机械外骨骼调节重心角度进而维持站立和行走转换中的平衡；