一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法，用于由脑卒中、脊髓神经损伤、脑瘫等由神经系统功能损伤所引起的肢体运动功能障碍的康复。该系统包括以下功能设备：交互输入设备、运动想象设备、电刺激设备、数据分析设备、系统处理器；该康复方法依托于虚拟现实应用技术下的呈现方式，结合基于智能传感器的交互输入设备以及神经生物电刺激设备，使用康复运动疗法和运动想象疗法来实现覆盖康复全阶段的系统化康复方案。

A rehabilitation system and method based on interactive virtual reality and neuroelectric stimulation

The invention relates to a rehabilitation system and method based on interactive virtual reality and nerve electrical stimulation, which is used for rehabilitation of limb motor dysfunction caused by functional damage of nervous system, such as stroke, spinal cord injury, cerebral palsy and so on. The system includes the following functions: input devices and equipment of motor imagery equipment, electrical stimulators, data analysis equipment, system processor; the rehabilitation method relies on the technology of virtual reality application presentation, combined with the interactive input device of intelligent sensors and biological neural electrical stimulation device based on the use of rehabilitation exercise therapy and exercise therapy to achieve coverage of rehabilitation system rehabilitation plan the whole stage.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法
本专利技术涉及一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统及方法，特别涉及一种基于虚拟现实、智能传感设备以及神经电刺激的康复系统，用于由脑卒中、脊髓神经损伤、脑瘫等由神经系统功能损伤所引起的肢体运动功能障碍的康复。
技术介绍
对于肢体运动功能障碍的康复需要根据患者所处的康复阶段使用不同的康复方法。目前对于运动功能康复阶段的划分有不同的标准，其中较为主流的包括了Brunnstrom的康复六阶段、MRC六级肌力评估等。Brunnstrom将康复分为瘫软期、痉挛期、联合运动期、分离运动期、精细运动期和恢复期六个阶段，而肌力评估标准也将运动能力分为0-5的六级标准，其中0级为肌肉无任何收缩、1级为肌肉有收缩但无关节运动、2级为有关节运动但无法克服地心引力运动、3级开始可以对抗重力进行关节运动。在此为方便表述，将处于瘫软期或者MRC小于2级的患者称为康复早期阶段患者，其他为康复中后期阶段患者。由神经系统损伤所引起的运动功能障碍是因为中枢神经系统中负责运动区域的神经元受损或者传递运动信号的神经系统受到损伤导致运动信号无法传达至目标肢体。针对此类运动障碍的康复有两种康复思路：Bottom-up和Top-down。Bottom-up方法是从肢端入手通过物理训练、肌肉刺激等方法刺激周围神经系统来帮助患者进行康复。此方法多见于传统的治疗方案，虽然它可以有效防止肌肉进一步萎缩造成的各种并发症，但其对中枢神经系统运动功能的恢复带来的帮助效果存疑，因而国际上更加重视使用新的Top-down方法并与传统的Bottom-up方法相结合来进行康复。Top-down方法是从中枢神经系统出发通过运动神经区域主动发出运动信号来促进患者运动功能的康复。下面基于以上所述的康复阶段的划分和两种康复思路的概念来对主流的康复手段进行进一步分析：A康复运动疗法：康复运动疗法是指利用器械、徒手或患者自身力量，使患者获得全身或局部运动功能、感觉功能恢复的训练方法。优点：该疗法属于Top-down方法，对康复效果明显且确切，属于最主流的康复疗法。缺点：该疗法只适用于康复中后期患者，对于没有运动能力的患者无法使用该方法进行康复；康复过程枯燥，患者的积极性和参与度不足；无法对运动情况进行数据收集和分析，其康复效果难以精准评估和调整。B虚拟现实技术：虚拟现实技术已经在运动康复领域有许多应用尝试，现有的虚拟现实康复应用主要通过虚拟现实显示技术营造强沉浸感并配合传感器等体感交互技术大幅增加运动康复的趣味性从而提供患者康复的参与度和积极度。优点：提高患者康复的积极度和参与度。缺点：只适合康复中后期阶段的患者，对早期患者无能为力。C神经生理疗法：包括Bobath技术、Brunnstrom技术、Rood技术、PNF技术等。主要采取抑制异常姿势，促进正常姿势的发育和恢复的方法治疗中枢神经损伤的患者。优点：可针对康复早期阶段患者。缺点：属于Bottom-up方法，对运动神经的康复效果存疑，且需要人工辅助，在目前医生资源紧缺的情况下成本巨大。D神经生物电刺激疗法：包括经皮神经电刺激（TENS）和神经肌肉电刺激（EMS）疗法。通过中低频电流刺激局部肌肉从而引发肌肉收缩产生真实的运动行为。优点：适用于康复早期阶段患者，防止肌肉萎缩。缺点：属于Bottom-up方法，对运动神经的康复效果存疑。E外骨骼机器人：通过外骨骼机器人、机械四肢等装置带动患者进行四肢的运动。优点：可代替人工辅助运动，可适用于康复早期阶段患者。缺点：属于Bottom-up方法，对运动神经的康复效果存疑，价格尤其高昂普通患者难以负担。F经颅磁刺激疗法：经颅磁刺激使用一个磁力装置从头颅外部向脑内发射磁场脉冲,利用磁场引发脑细胞电流的适度改变,来刺激某些神经通路。通过改变它的刺激频率而分别达到兴奋或抑制局部大脑皮质功能的目的优点：属于Top-down方法，无痛无创，效果直接。缺点：作用机理和副作用尚未完全明确，少数出现不适或暂时性认知改变、记忆力损伤等副作用。G运动想象疗法：运动想象疗法（MotorImageryTherapy）是由VilayanurS.Ramachandran提出的通过反复的运动想象根据运动记忆在大脑中激活某一活动的特定区域从而达到恢复运动功能的目的。此方法有许多不同版本以及一些变种的实现方法，包括镜像疗法（MirrorTherapy）、行为观察疗法（ActionObservation）、GradedMotorImagery疗法等等。其理论基础是心理神经肌肉理论和镜像神经元理论。优点：属于Top-down方法，不依赖患者残存的运动功能、可针对康复早期阶段患者进行治疗。缺点：没有任何运动输出、无法缓解肌肉萎缩导致产生的并发症；重复的没有反馈的运动想象容易使患者感觉枯燥从而降低康复积极性。上述方法中，运动康复疗法和现有的虚拟现实疗法对康复早期阶段患者无效；神经生理疗法、神经生物电刺激疗法和外骨骼机器人属于Bottom-up的康复思路、对于运动神经的康复效果不确切且成本高昂；现有的运动想象疗法和经颅磁刺激疗法虽然是Top-down的康复思路但运动单一的运动想象疗法存在无运动输出和反馈的问题而经颅磁刺激尚在早期尝试阶段其作用机理和副作用尚未完全明确。因此，我们需要一种新的康复手段。中国专利公开号“106178427A”公开了一种基于多人交互虚拟现实的手功能训练与评估系统。它是通过手部运动信息采集模块实时记录多名手功能异常患者的手部运动信息，经过分析与处理后，控制多人交互虚拟现实系统中对应的角色，实现多名手功能异常患者在同一个虚拟现实场景中同时进行训练的功能。上述系统虽然使用虚拟现实疗法改善了运动康复的体验但其要求患者的手部拥有一定的运动能力，而实际临床当中大量处于早期康复阶段（Brunnstrom瘫软期和MRC<2级）的患者上下肢都可能有完全运动障碍的情况。而此时该系统便无法采集患者相应的运动数据。中国专利公开号“106371588A”公开了一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法。它通过收集和分析患者的脑电信号来判断患者是否在进行运动想象的行为，并在检测到患者的想象运动时在虚拟环境中以3D的形式表现此运动行为。这种方法虽然改善了运动想象中患者无法获得想象的反馈的问题，但是无法解决没有运动输出的问题。因而无法缓解长期没有真实的运动行为而造成的肌肉萎缩及其并发症。并且现有的运动想象脑电算法的精度仅有不到80%，无法满足患者对于精确度和实时性的要求。中国专利公开号“204813892U”公开了一种用于镜像神经元康复训练的装置。该装置使用虚拟显示器对患者播放事前录制的运动视频，从而让患者通过行为观察和运动想象的方法来进行运动功能的康复。该装置虽然结合了虚拟现实和运动想象疗法，但其并没有解决传统运动想象疗法所存在的缺少想象反馈以及没有运动输出的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够解决现有技术中存在的上述问题的方法，该系统基于虚拟现实技术和神经电刺激技术，结合康复运动疗法和运动想象疗法的优势，从而有效覆盖康复早期阶段和中后期阶段两类人群并且弥补了传统运动想象疗法中没有任何运动输出的不足。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种基于可交互虚拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，包括以下功能设备：交互输入设备，用于采集患者动作信号；运动想象设备，产生虚拟肢体，给予患者沉浸式体验；电刺激设备，产生神经生物电刺激患者运动；数据分析设备，分析和显示患者数据；系统处理器，与上述各设备相连，用于接收、发送和处理数据，并控制设备执行各种训练内容。

【技术特征摘要】
1.一种基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，包括以下功能设备：交互输入设备，用于采集患者动作信号；运动想象设备，产生虚拟肢体，给予患者沉浸式体验；电刺激设备，产生神经生物电刺激患者运动；数据分析设备，分析和显示患者数据；系统处理器，与上述各设备相连，用于接收、发送和处理数据，并控制设备执行各种训练内容。2.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的交互输入设备包括依次连接的动作传感设备、动作信号传输设备和信号处理解析设备。3.根据权利要求2所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述动作传感设备包括惯性动作感知设备和动作捕捉设备。4.根据权利要求3所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的惯性动作感知设备包括基于加速度计、陀螺仪和磁力计的智能手环或游戏手柄，所述的动作捕捉设备包括基于摄像头和红外捕捉技术的设备。5.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的运动想象设备为头戴式虚拟现实全景眼镜、大屏显示器、环绕式投影屏幕中的一种或几种。6.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的电刺激设备根据患者肢体障碍程度的不同以及康复阶段的不同可使用经皮神经电刺激和神经肌肉电刺激。7.根据权利要求1所述的基于可交互虚拟现实和神经电刺激的康复系统，其特征是，所述的数据分析设备包括时域分析：各关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪凯，张岩，汪永光，
申请(专利权)人：杭州易脑复苏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33