一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统及训练方法

摘要

本发明公开了一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统及训练方法，所述系统包括光学脑成像设备、中央处理器及显示器；所述光学脑成像设备用于采集参与者大脑血氧的光强信号；所述中央处理器用于对采集到的光强信号进行预处理，形成偏侧化指标，并将偏侧化指标进行比较，得到奖励或惩罚的神经反馈信息，并将神经反馈信息转化为视觉信号；所述显示器用于显示转化为视觉信号的神经反馈信息，指导参与者的康复训练。所述方法包括利用光学成像设备采集参与者在训练中脑部血氧的光强信号，通过中央处理器转化和形成神经反馈信号，通过神经反馈信号指导参与者调整训练。本发明通过偏侧化指标的变化来反映康复训练的成效，进而能更有效的指导康复训练。

说明书

技术领域

本发明涉及康复辅具技术领域，特别涉及一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统及训练方法。

背景技术

脑卒中，脑外伤或多种脑部手术等引起的神经受损常导致运动功能障碍。神经反馈通过实时采集参与者的大脑神经反应并及时呈现给参与者，要求参与者选择性增强或抑制该反馈信号，使得参与者在一定程度上能够自主地对大脑神经活动进行调节，从而促进或增强功能恢复。现有技术中，各种神经反馈方法已成功应用于运动康复，如：基于脑电(EEG)信号的神经反馈已经用于运动障碍的康复(A Mottaz,T Corbet,N Doganci,CMagnin,P Nicolo,A Schnider,AG Guggisberg.Modulating functional connectivityafter stroke with neurofeedback:Effect on motor deficits in a controlledcross-over study.Neuroimage Clin,2018,20:336-346)，基于光学成像的神经反馈也用于提高运动想象对运动功能的恢复效果(Mihara M,Hattori N,Hatakenaka M,Yagura H,Kawano T,Hino T,Miyai I:Near-infrared Spectroscopy-mediated NeurofeedbackEnhances Efficacy of Motor Imagery-based Training in Poststroke Victims APilot Study.Stroke 2013,44(4):1091)。再如：中国专利CN201210154003.1提供了一种以磁共振技术实时监测截肢者大脑初级运动皮层的神经反馈信号，进而指导截肢者进行残肢运动康复训练的方法。中国专利CN201811108551.4提供了一种基于近红外光谱技术的神经反馈方法及系统，根据脑激活和脑功能连接参数作为反馈信号呈现给参与者，以使其特定功能系统的神经活动得到训练。中国专利CN201910211696.5涉及一种双模态脑-机交互式运动神经反馈训练装置和方法，依据脑电和脑血氧信息决策是否驱动视听觉反馈和基于电刺激的本体感觉反馈。上述基于神经反馈指导康复训练的方法，能从神经反馈的积极方向有针对性的指导康复训练。

但是，现有技术中，通过光学成像技术检测血氧浓度变化做为神经反馈指导运动康复的方法，通常依赖血氧浓度变化量来判断康复运动的成效，进而指导康复训练。但是由于血氧浓度在测量过程中存在较大波动，从而使得依赖血氧浓度变化量来指导康复运动存在偏差。

半球间竞争模型是基于交互性半球间抑制理论而得到的一种运动康复指导模型，也是指导运动康复训练的一种重要模型。交互性半球间抑制理论是指：在正常状态下，双侧大脑半球皮质存在一种程度相似的经胼胝体的相互抑制，两侧半球通过交互性抑制达到并维持功能相匹配的平衡状态。脑神经受损后，这种平衡被打破，受影响的半球受到来自未受影响半球的持续抑制兴奋性减弱，同样的，受影响侧半球的抑制减弱会导致未受影响侧半球的兴奋性增强，因此恢复双侧大脑半球间生理平衡将有利于患者恢复。但现有技术中，未有利用受损侧大脑与健康侧大脑的血氧浓度数据获取偏侧化指标，通过偏侧化指标来指导康复训练的方法。可见，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统及训练方法，旨在解决现有技术中依据血氧浓度变化量指导康复训练存在偏差的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统，其中，所述系统包括光学脑成像设备、中央处理器及显示器；所述光学脑成像设备用于采集参与者大脑血氧的光强信号；所述中央处理器用于对采集到的光强信号进行处理得到血氧信号，形成偏侧化指标，并将偏侧化指标进行比较，得到奖励或惩罚的神经反馈信息，并将神经反馈信息转化为视觉信号；所述显示器用于显示转化为视觉信号的神经反馈信息，指导参与者的康复训练。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈系统中，所述中央处理器包括血氧处理模块、偏侧化指标模块、神经反馈模块，所述血氧处理模块用于将光学脑成像设备采集到的光强信号转化为血氧信号，所述偏侧化指标模块用于从血氧信号中提取偏侧化指标，所述神经反馈模块包括比较模块和反馈模块，所述比较模块用于比较偏侧化指标，所述反馈模块用于将偏侧化指标比较结果形成神经反馈信息。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈系统中，光学脑成像设备包括放置在参与者脑部的光学探头，所述光学探头的数量大于或等于2个，并且呈对称分布于受损侧大脑和健康侧大脑。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈系统中，所述比较模块包括偏侧化指标比较模块及血氧信息比较模块，所述偏侧化指标比较模块用于将实时的偏侧化指数与初始偏侧化指数进行比较，所述血氧信息比较模块用于将实时的血氧指数与初始的血氧指数进行比较，所述神经反馈模块根据偏侧化指数及血氧指数的比较结果，形成神经反馈信息。

一种基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法，所述方法采用如上所述的基于光学脑成像的运动神经反馈系统实现，所述方法包括以下步骤：

步骤S01：光学成像设备采集参与者在特定训练任务过程中脑部血氧的光强信号并传递至中央处理器，所述光强信号包括受损侧大脑的光强信号及健康侧大脑的光强信号；

步骤S02：中央处理器对步骤S01中获得的光强信号进行分析，将光强信号转化为血氧信号，得到血氧指数Hb；

步骤S03：中央处理器将血氧信号转化为偏侧化指标，获得偏侧化指数LI，所述偏侧化指数LI的计算公式为

步骤S04：参与者执行特定训练任务，光学成像设备采集参与者在执行特定训练任务过程中参与者受损侧大脑及健康侧大脑的光强信号，传递至中央处理器，中央处理器将光强信号进行分析处理，得到实时偏侧化指数LIt，中央处理器通过比较实时偏侧化指数LIt和初始偏侧化指数LI0，得到神经反馈信息，并将所述神经反馈信息形成视觉信号传递至显示器，反馈给参与者；

步骤S05：参与者根据接收到的神经反馈视觉信号调节特定训练任务，重复步骤S04，直至所述特定训练任务结束。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述神经反馈信息包括奖励反馈或惩罚反馈中的一种。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述神经反馈信息为奖励反馈时，LIt大于LI0，参与者根据奖励反馈继续加强对应的康复训练。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述步骤S05中，训练任务的调节程度依据LIt与LI0的差值制定。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述神经反馈信息为惩罚反馈时，LIt小于LI0，参与者根据惩罚反馈削弱对应的康复训练，削弱的程度依据LI0与LI1的差值制定。

所述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述步骤S02中，所述光强信号转化为血氧信号过程中，通过零相位带通FIR滤波器去除基线漂移和高频噪声，以及通过样条差值去除运动伪迹。

有益效果：

本发明提供了一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统及训练方法，所述方法通过光学脑成像设备测定参与者在康复训练过程中血氧指标的变化，通过血氧指标计算偏侧化指标，通过偏侧化指标在训练过程中的变化量，形成神经反馈信息，参与者根据神经反馈信息调整康复训练，由于偏侧化指数能消除光强信号的漂移及不稳定因素，因此能更为真实的反映康复训练的成效，进而能更有效的指导康复训练。

附图说明

图1为本发明提供的基于光学脑成像的运动神经反馈系统的示意图一。

图2为基于光学脑成像的运动神经反馈系统的示意图二。

图3为基于光学脑成像的运动神经反馈方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统及训练方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供一种基于光学脑成像的运动神经反馈系统，所述系统用于实现基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法，所述系统包括光学脑成像设备、中央处理器及显示器，所述光学脑成像设备及显示器均分别与中央处理器电性连接，用于采集大脑血氧的光强信号，形成偏侧化指标和神经反馈信息，以指导康复训练。

具体的，所述光学脑成像设备可以是近红外光谱成像设备，用于实时采集参与者大脑血氧的光强信号。所述光学脑成像设备包括放置在参与者脑部的光学探头，所述光学探头能发射和接收光信号，并通过接收到的光强信号作为计算血氧信号的依据。所述光学探头的数量大于或等于2个，并且呈对称分布于受损侧大脑和健康侧大脑，以检测参与者受损侧大脑和健康侧大脑在训练任务中的血氧的光强信号。

具体的，如图2所示，所述中央处理器可以是运行有系统软件的电脑主机。所述中央处理器包括血氧处理模块、偏侧化指标模块及神经反馈模块，用于将光强信号依次转化血氧信号、偏侧化指标、神经反馈信息及视觉信号，指导康复训练。所述血氧处理模块用于将光学脑成像设备采集到的光强信号转化为血氧信号，所述偏侧化指标模块用于从血氧信号中提取偏侧化指数，所述神经反馈模块包括比较模块和反馈模块，所述比较模块用于比较偏侧化指数，所述反馈模块用于根据比较结果形成神经反馈信息，并将神经反馈信息转化为视觉信号。具体实施过程中，血氧处理模块对光学探头采集到的光强信号进行处理，形成血氧信号，所述偏侧化指标模块根据血氧信号计算偏侧化指数，得到偏侧化指标，然后，比较模块将实时的偏侧化指标与初始偏侧化指标进行比较，根据比较的结果，反馈模块形成奖励或惩罚的神经反馈信息，并将神经反馈信息转化为视觉信号传递至显示器，以便于参与者能直观获取。

在一些实施例中，所述比较模块包括偏侧化指标比较模块和血氧信息比较模块，所述偏侧化指标比较模块用于比较实时的偏侧化指标与初始的偏侧化指标，所述血氧信息比较模块用于比较实时的血氧指数与初始的血氧指数，所述反馈模块根据偏侧化指标比较模块及血氧信息比较模块得到的比较结果，形成奖励或惩罚的神经反馈信息，从而使生成的神经反馈信息能更为准确的指导康复训练。

所述显示器可以是液晶显示屏，也可以是其他类型的显示器，用于显示转化为视觉信号的神经反馈信息，指导参与者的康复训练。

参阅附图3，本发明还提供一种基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法，所述方法采用如上所述的基于光学脑成像的运动神经反馈系统，可用于脑部神经受损导致运动功能障碍的患者的康复训练。在康复训练中，通过测定参与者在训练过程中大脑血氧指数的变化，并通过提取受损侧大脑的血氧指数和健康侧大脑的血氧指数，形成偏侧化指标，进而比较训练过程中偏侧化指标的变化，形成奖励反馈或惩罚反馈，用于指导康复训练。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤S01：光学成像设备，如，近红外光谱仪，采集参与者在特定训练任务过程中脑部血氧的光强信号，所述光强信号包括受损侧大脑的光强信号及健康侧大脑的光强信号。具体为将光学探头呈对称分布于参与者头部受损侧大脑和健康侧大脑，然后通过光学探头采集受损侧大脑及健康侧大脑的光强信号，并将光强信号传递至中央处理器。

步骤S02：所述中央处理器接收光强信号，并通过血氧处理模块对获得的光强信号进行分析解码，将光强信号转化为血氧信号，得到血氧指数Hb。具体为，血氧处理模块先对获取到的光强信号进行预处理。所述预处理包括通过零相位带通FIR滤波器去除光强信号中的基线漂移和高频噪声，以及通过样条插值法去除光强信号中的运动伪迹，使获得的光强信号更为准确。然后通过分析运算，将光强信号转化为血氧信号，得到血氧指数Hb，所述血氧指数Hb包括受损侧大脑的血氧指数Hb

步骤S03：血氧处理模块将血氧信号传递至偏侧化指标模块，所述偏侧化指标模块根据接收到的受损侧大脑和健康侧大脑的血氧信号，转化为偏侧化指数LI，获得偏侧化指标，所述偏侧化指数LI的计算公式为

步骤S04：参与者执行特定的康复训练任务，所述特定的康复训练任务根据脑受损部位及程度进行设定，并在执行康复训练的过程中利用光学成像设备采集参与者受损侧大脑及健康侧大脑的光强信号，所述光强信号依据步骤S01进行采集，同时依据步骤S02进行数据转化、依据步骤S03计算得到实时的偏侧化指数LIt，然后将偏侧化指数LIt传递至神经反馈模块，通过神经反馈模块中的比较模块，将实时的偏侧化指数LIt与初始偏侧化指数LI0进行比较，根据比较的结果，通过神经反馈模块中的反馈模块形成神经反馈信息。所述神经反馈信息包括奖励反馈或惩罚反馈中的一种，当LIt大于LI0时，形成积极的神经反馈信息，为奖励反馈；当LIt小于LI0时，形成消极的神经反馈信息，为惩罚反馈。同时，所述反馈模块将神经反馈信息转化为视觉信号传递至显示器，反馈给参与者，便于参与者直观地获知训练成效及了解训练方向。

步骤S05：参与者根据接收到的神经反馈信息调整训练任务，当神经反馈信息为奖励反馈，参与者加强对应的康复训练；当神经反馈信息为惩罚反馈时，参与者削弱对应的康复训练。参与者自我调整训练过程中，继续利用光学成像设备采集参与者受损侧及健康侧脑部的光强信号，以及利用血氧处理模块、偏侧化指标模块及神经反馈模块获得实时的神经反馈信息，并根据神经反馈信息实时调整训练任务，直至训练结束。

上述训练方法，通过偏侧化指标的变化来指导参与者的康复训练，由于偏侧化指数能消除光强信号的漂移及不稳定因素，并且偏侧化指标能更准确的反映双侧大脑半球间生理平衡的恢复情况，因此能更为真实的反映康复训练的成效，进而能更有效的指导康复训练。同时，在光强信号转化为血氧信号时，采用零相位带通FIR滤波器及样条插值法优化光强信号，使光强信号能更好的反映参与者大脑血氧数值的变化，能更真实更准确的反映训练效果，更好的指导康复训练。

进一步的，上述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述步骤S05中，当LIt大于LI0，则形成奖励反馈，此时参与者根据奖励反馈调整对应的康复训练，训练任务的调整程度依据LIt与LI0的差值进行制定，以获得更好的康复成效。而当LIt小于LI0，神经反馈模块形成惩罚反馈，参与者根据惩罚反馈削弱对应的康复训练，削弱的程度依据LI0与LI1的差值进行制定，必要时停止对应的康复训练，或者调整康复训练方式，以提高康复训练的成效。

在一些实施例中，所述基于光学脑成像的运动神经反馈训练方法中，所述步骤S04和步骤S05中，所述比较模块还对血氧信息进行比较，即，在比较实时偏侧化指数的同时，还比较血氧信息的变化，将实时的血氧指数与初始的血氧指数进行比较，得到血氧指数在训练过程中的变化量，以作为形成神经反馈信息的参考因素。当偏侧化指数的变化量及血氧指数的变化量均为正值时，表明为较佳的康复训练成效，则形成奖励反馈；相反，则形成惩罚反馈。当血氧指数的变化量与偏侧化指数的变化量为不同方向时，则以偏侧化指数的变化量为准，但需分析血氧指数下降原因，调整康复训练。

本发明所述基于光学脑成像的运动神经反馈方法具体实施过程如下：

根据患者情况制定康复训练计划，训练过程中通过基于光学脑成像的运动神经反馈方法指导和调整康复训练。

进行康复训练前，先将光学探头固定在患者头部，光学探头的固定位置呈对称分布，分别位于受损侧大脑和健康侧大脑上。必要时，对每个患者偏瘫手臂或手腕连接力传感器，通过力传感器辅助监测患者进行康复训练情况。当连接好光学探头和力传感器，先通过基于光学脑成像的运动神经反馈系统检测初始的脑部血氧情况，作为初始偏侧化指标计算的依据。

患者执行康复训练任务，具体训练任务可以是受损侧上肢肩关节做屈伸、外展、上举运动，也可以是肘、腕关节做小范围的屈伸运动等，或者是其他能促使患者受损侧恢复的训练任务，具体根据患者个体的实际情况设定。训练时，通过基于光学脑成像的运动神经反馈系统检测患者受损侧大脑及健康侧大脑的血氧指标，计算偏侧指标，并通过比较训练时的偏侧化指数与训练前的偏侧化指数，形成神经反馈信息，生成奖励反馈或惩罚反馈。当每个训练任务完成时，若形成的是奖励反馈，给予患者特定的奖励，并在休息一定时间后，继续执行同样的训练任务；如果形成的是惩罚反馈，则调整康复训练任务，减少对应的训练任务，或者改变训练内容，以获得奖励反馈为最终目的。同时，训练过程中，可通过力传感器获取训练过程中力学变化，从另一参数上了解训练对患者康复的情况，评估患者恢复情况。

另外，在依据偏侧化指标的变化生成神经反馈信息时，还可以参考患者在康复训练过程中血氧指标的变化，使生成的神经反馈信息更为准确。通常情况为：偏侧化指标与血氧指标均呈升高趋势，此时生成奖励反馈，相反，则形成惩罚反馈。而当偏侧化指标与血氧指标变化趋势不一致时，可初步判断为断患者在训练过程中出现疲乏现象，如，当实时偏侧化指数呈正向增加状态，而血氧指数的变化量呈下降趋势时，可获知患者康复训练进入疲劳状态，此时，应调整训练任务或使患者休息。

需要说明的是，所述力传感器可以作为监测或验证患者康复训练成效的依据。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。