[发明专利]神经环路导向的上肢功能康复训练系统及方法

权利要求书

1.一种神经环路导向的上肢功能康复训练系统，包括近红外神经环路信息采集模块、上肢外骨骼模块、分析控制模块和显示模块，其特征在于：

所述近红外神经环路信息采集模块用于采集相应脑区的近红外脑血氧信号，并将采集到的近红外脑血氧信号传输至所述分析控制模块；

所述分析控制模块用于接收和分析从所述近红外神经环路信息采集模块传输的近红外脑血氧信号以及接收来自所述上肢外骨骼模块上的各个位移或角度传感器的信号，以形成神经环路导向和脑肢协同康复控制策略；

所述上肢外骨骼模块用于佩戴至使用者的腰部、肩部、上肢和手部，并且根据所述分析控制模块形成的康复控制策略辅助上肢完成肩关节前屈后伸和内收外展运动训练、肘关节屈伸运动训练、腕关节屈伸运动训练和手部抓握伸展运动训练，所述上肢外骨骼模块包括：柔性软体手套，用于佩戴至使用者的手部上；手腕关节连接块，该手腕关节连接块用于将腕关节柔性驱动装置连接到所述柔性软体手套以驱动所述柔性软体手套；小臂总成，该小臂总成的一端通过所述腕关节柔性驱动装置连接到所述手腕关节连接块；大臂总成，该大臂总成的一端通过肘关节柔性驱动装置连接到所述小臂总成的另一端，所述肘关节柔性驱动装置用于驱动所述小臂总成；肩关节连接块，该肩关节连接块的一端通过第一肩关节柔性驱动装置连接到所述大臂总成的另一端，所述第一肩关节柔性驱动装置用于驱动所述大臂总成；肩部总成，所述肩关节连接块的另一端通过第二肩关节柔性驱动装置连接到该肩部总成，所述第二肩关节柔性驱动装置用于驱动所述肩部总成；以及腰肩固定总成，该腰肩固定总成用于将所述肩部总成固定在使用者肩部并将所述上肢外骨骼模块的质量分布至腰部，其中手腕关节连接块安装有手腕三维角度传感器，用于监测手腕的空间旋转角度，小臂三维角度传感器固定在小臂总成的小臂后板后端，用于监测小臂的空间旋转角度，第一大臂三维角度传感器固定在大臂总成的大臂后板后端，用于监测肩关节前屈后伸动作的空间旋转角度，并且肩关节连接块后端安装有第二大臂三维角度传感器，用于监测肩关节内收外展动作的空间旋转角度；并且

所述显示模块用于在所述上肢功能康复训练系统使用过程中搭建虚拟现实环境，实现与使用者的拟实环境交互和视觉反馈，

神经环路导向和脑肢协同康复控制策略包括：

根据由用于驱动柔性软体手套的腕关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动小臂总成的肘关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动大臂总成的第一肩关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、用于驱动肩部总成的第二肩关节柔性驱动装置的驱动电机的编码器、手腕三维角度传感器、小臂三维角度传感器、第一大臂三维角度传感器和第二大臂三维角度传感器提供的角度信息，由分析控制模块对各个驱动电机的输出轴旋转角度和用于连接柔性软体手套和小臂总成的手腕关节连接块、小臂总成、大臂总成、用于连接大臂总成和肩部总成的肩关节连接块的旋转角度进行标定；

根据近红外脑血氧信号确定基线；以及

根据合适的训练模式进行在线训练或离线训练，其中能够将训练过程显示在显示模块上，并且其中在在线和离线训练过程中，能够将训练过程中所采集的近红外脑血氧信号和各个传感器的数据信号存储至存储单元中，以在训练结束之后进行读取评估，

根据以下步骤来实现神经环路导向功能：

由分析控制模块截取静息状态下的使用者脑部的每一通道在一段时间内的近红外脑血氧信号的数据取均值，作为各通道近红外脑血氧信号基线值；

根据训练模式和训练任务，将获取的各个通道的近红外脑血氧信号减去各个通道的基线值，再进行滤波，得到滤波后的各通道近红外脑血氧信号；

计算滤波后的各个通道的近红外脑血氧信号的时间序列均值，得到每一个通道的活跃程度AD；

计算每两两通道的近红外脑血氧信号的皮尔逊相关系数PCCs，得到功能连接指标；

根据侧偏性指标计算规则，计算基于活跃程度AD的侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数PCCs的侧偏性系数LPCCs，其中侧偏性系数LAD表示同侧脑区和对侧脑区之间的激活程度，并且其中皮尔逊相关系数PCCs表示脑区同侧和对侧的连接程度；

在在线训练模式下，根据所计算的活跃程度AD和皮尔逊相关系数PCCs实时显示使用者的脑激活图和脑功能连接图，显示基于活跃程度的所述侧偏性系数LAD和基于皮尔逊相关系数的侧偏性系数LPCCs，并呈现健康使用者在执行训练任务时的平均脑激活图、平均脑功能连接图、基于活跃程度的平均侧偏性系数和基于皮尔逊相关系数的平均侧偏性系数，以向使用者提供实时视觉反馈和训练效果参考；

在在线训练模式和离线训练模式下，若所述脑激活图、所述脑功能连接图、基于活跃程度的所述侧偏性系数和基于皮尔逊相关系数的所述侧偏性系数偏离相差超过一定阈值，则分析控制模块控制由拇指拉线总成、余指拉线总成和四个柔性关节驱动装置提供的助力或阻力，用于促使使用者完成训练任务。