一种帕金森病的脑控步态训练系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种帕金森病的脑控步态训练系统和方法，系统包括：脑电信号采集装置、分析装置，眼动数据采集装置、分析装置，肢体动作采集装置，任务范式处理器、呈现装置，脑电信号分析装置利用采集装置采集的脑电信号计算相关脑电特征数据；眼动数据分析装置利用采集装置采集的眼动数据计算、记录相关眼动特征数据；肢体动作采集装置采集患者肢体动作数据；任务范式处理器根据上述特征数据和肢体动作数据进行综合处理后由呈现装置输出。本发明专利技术通过基于节律性提示的步态训练任务范式引导，和脑电与眼动特征闭环反馈，使得患者完成上下肢协调运动的想象和运动训练，实现肢体动作以及节律性提示信息在大脑中的强化，改善帕金森患者的步行功能。

A gait control training system and method for Parkinson's disease

【技术实现步骤摘要】
一种帕金森病的脑控步态训练系统和方法
本专利技术涉及医疗
，特别涉及一种帕金森病的脑控步态训练系统和方法。
技术介绍
帕金森病是一种以静止性震颤、肌强直、运动迟缓以及步态障碍为主要特征的中枢神经系统变性疾病。其中，步态障碍是造成患者失衡和跌倒发生的主要原因，在帕金森病的不同阶段表现不同。帕金森病早中期，步态障碍主要表现在手臂摆动减少、步速及步幅下降，并无明显特异性。随着疾病进展，帕金森病晚期，出现慌张步态、冻结步态等较严重及具有特征性的步态障碍。大脑基底核与次级运动皮质相互作用是运动控制的重要环节，帕金森患者步态障碍的一个主要原因是基底核内部节律紊乱。目前，针对帕金森患者的步态训练，有研究侧重于对异常步态，特别是晚期慌张步态、冻结步态的检测，进而通过外界节律性提示、虚拟现实等手段，缓解异常步态、改善步行功能，例如中国专利技术专利CN108836347A帕金森患者康复训练方法和系统、中国专利技术专利CN109621311A一种基于增强现实技术的帕金森症姿态步态康复训练方法。但是已有的这些系统或者方法，其训练过程缺乏患者大脑的主动参与以及与外界的闭环交互，并且对帕金森病早中期的步态训练缺少考虑，使得步态训练的效果以及效果的持续性方面仍然存在一定的局限。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是：提供一种帕金森病的脑控步态训练系统和方法，通过基于节律性提示的步态训练任务范式的引导，和脑电与眼动特征的闭环反馈，使得患者完成上下肢协调运动的想象和实际运动训练，实现肢体动作以及节律性提示信息在大脑中的强化，改善帕金森患者的步行功能，延缓步态障碍的进程。本专利技术实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种帕金森病的脑控步态训练系统，包括：脑电信号采集装置，用于采集患者在执行步态训练任务时的大脑脑电信号；脑电信号分析装置，与脑电信号采集装置和一任务范式处理器连接，利用脑电信号采集装置采集的脑电信号计算患者大脑在进行运动计划、运动选择和决策过程中相关脑区的认知负荷特征数据和事件相关同步/去同步能量特征数据，并传入任务范式处理器；眼动数据采集装置，用于采集患者在执行步态训练任务时的眼动数据；眼动数据分析装置，与眼动数据采集装置和任务范式处理器连接，利用眼动数据采集装置采集的眼动数据计算患者在执行步态训练任务时反应认知负荷的平均注视点持续时间、注视次数、平均瞳孔直径特征数据，以及记录注视点位置、移动路径特征数据，并传入任务范式处理器；肢体动作采集装置，与任务范式处理器连接，用于采集患者在执行步态训练任务时的肢体动作数据，并传入任务范式处理器；任务范式处理器包括任务范式场景构建与调整模块、虚拟人物肢体动作控制模块、节律性提示信息调节模块；任务范式呈现装置，与任务范式处理器连接，用于显示步态训练任务范式场景、场景中的虚拟人物动作和节律性提示信息。优选的，任务范式处理器的任务范式场景构建与调整模块，构建步态训练任务范式场景，包括运动想象和实际运动两个阶段，均加入视听觉节律性提示信息；范式设计为下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动模式，运动想象阶段引导患者按节律想象自身下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动；实际运动阶段则引导患者按节律进行下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动。同时，根据眼动数据分析装置记录的患者注视点位置和移动路径动态调整范式场景的空间视角、视听觉节律性提示信息的空间位置。优选的，任务范式场景采用虚拟现实场景或增强现实场景；若采用虚拟现实场景，需构建步态训练任务范式所需的虚拟背景，以及包含步态训练任务、虚拟人物和节律性提示信息的虚拟前景；若采用增强现实场景，场景的构建需增加图像采集装置，实时采集真实场景图像后传入任务范式处理器进行分析生成场景背景，在此基础上叠加包含步态训练任务、虚拟人物和节律性提示信息的虚拟前景。优选的，任务范式处理器的虚拟人物肢体动作控制模块，在任务范式的运动想象阶段，根据脑电信号分析装置计算所得的事件相关同步/去同步能量特征数据控制范式场景中虚拟人物肢体的动作；在任务范式的实际运动阶段，接收肢体动作采集装置采集的肢体动作数据并进行空间坐标映射后，与脑电信号分析装置计算所得的事件相关同步/去同步能量特征数据结合，按比例共同控制范式场景中虚拟人物肢体的动作。优选的，在任务范式的运动想象阶段，由脑电信号分析装置计算患者分别想象左下肢与右上肢手臂、右下肢与左上肢手臂同步运动时的大脑事件相关同步/去同步能量的空间分布，左下肢/右上肢与右下肢/左上肢之间交替过程的大脑事件相关同步/去同步能量的时间变化特征数据以控制虚拟人物肢体是否动作以及动作的交替频率、幅度。优选的，任务范式处理器的节律性提示信息调节模块，在任务范式的运动想象阶段，建立视听觉节律性提示信息与脑电信号分析装置、眼动数据分析装置计算所得的认知负荷特征数据，以及脑电信号分析装置计算所得的事件相关同步/去同步能量特征数据之间的关系，从而确定运动想象阶段视听觉节律性提示信息的自适应模式，并且进一步通过所确定的信息自适应模式调节任务范式中的视听觉节律性提示信息。优选的，任务范式处理器的节律性提示信息调节模块，在任务范式的实际运动阶段，对运动想象阶段的视听觉节律性提示信息的自适应模式进行二次优化，建立视听觉节律性提示信息与脑电信号分析装置、眼动数据分析装置计算所得的认知负荷特征数据，脑电信号分析装置计算所得的事件相关同步/去同步能量特征数据，以及肢体动作采集装置采集的肢体动作数据之间的关系，从而确定实际运动阶段视听觉节律性提示信息的自适应模式，并且进一步通过所确定的信息自适应模式调节任务范式中的视听觉节律性提示信息。优选的，任务范式处理器和任务范式呈现装置与眼动数据采集装置、眼动数据分析装置集成一体。一种帕金森病的脑控步态训练系统的方法，包括如下步骤：S1、对患者呈现步态训练任务范式和范式中的视听觉节律性提示信息；S2、根据患者注视点位置和移动路径动态调整范式场景的空间视角、视听觉节律性提示信息的空间位置；S3、患者想象自身下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动；S4、根据患者想象过程中的事件相关同步/去同步能量特征数据控制范式场景中虚拟人物肢体的动作；S5、根据患者认知负荷特征数据、事件相关同步/去同步能量特征数据的实时变化，通过所确定的信息自适应模式调节步态训练任务范式中的视听觉节律性提示信息；S6、患者进行下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动；S7、根据患者实际运动过程中的事件相关同步/去同步能量特征数据、空间坐标映射后的肢体动作数据按比例共同控制范式场景中虚拟人物肢体的动作；S8、根据患者认知负荷特征数据、事件相关同步/去同步能量特征数据以及肢体动作数据的实时变化，通过所确定的信息自适应模式调节步态训练任务范式中的视听觉节律性提示信息。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)、一方面通过脑机交互实现肢体动作在大脑中的强化；另一方面根据脑电与眼动特征的变化，通过所确定的信息自适应模式调节步态训练任务范式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种帕金森病的脑控步态训练系统，其特征在于：包括：/n脑电信号采集装置，用于采集患者在执行步态训练任务时的大脑脑电信号；/n脑电信号分析装置，与脑电信号采集装置和一任务范式处理器连接，利用脑电信号采集装置采集的脑电信号计算患者大脑在进行运动计划、运动选择和决策过程中相关脑区的认知负荷特征数据和事件相关同步/去同步能量特征数据，并传入任务范式处理器；/n眼动数据采集装置，用于采集患者在执行步态训练任务时的眼动数据；/n眼动数据分析装置，与眼动数据采集装置和任务范式处理器连接，利用眼动数据采集装置采集的眼动数据计算患者在执行步态训练任务时反应认知负荷的平均注视点持续时间、注视次数、平均瞳孔直径特征数据，以及记录注视点位置、移动路径特征数据，并传入任务范式处理器；/n肢体动作采集装置，与任务范式处理器连接，用于采集患者在执行步态训练任务时的肢体动作数据，并传入任务范式处理器；/n任务范式处理器包括任务范式场景构建与调整模块、虚拟人物肢体动作控制模块、节律性提示信息调节模块；/n任务范式呈现装置，与任务范式处理器连接，用于显示步态训练任务范式场景、场景中的虚拟人物动作和节律性提示信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种帕金森病的脑控步态训练系统，其特征在于：包括：
脑电信号采集装置，用于采集患者在执行步态训练任务时的大脑脑电信号；
脑电信号分析装置，与脑电信号采集装置和一任务范式处理器连接，利用脑电信号采集装置采集的脑电信号计算患者大脑在进行运动计划、运动选择和决策过程中相关脑区的认知负荷特征数据和事件相关同步/去同步能量特征数据，并传入任务范式处理器；
眼动数据采集装置，用于采集患者在执行步态训练任务时的眼动数据；
眼动数据分析装置，与眼动数据采集装置和任务范式处理器连接，利用眼动数据采集装置采集的眼动数据计算患者在执行步态训练任务时反应认知负荷的平均注视点持续时间、注视次数、平均瞳孔直径特征数据，以及记录注视点位置、移动路径特征数据，并传入任务范式处理器；
肢体动作采集装置，与任务范式处理器连接，用于采集患者在执行步态训练任务时的肢体动作数据，并传入任务范式处理器；
任务范式处理器包括任务范式场景构建与调整模块、虚拟人物肢体动作控制模块、节律性提示信息调节模块；
任务范式呈现装置，与任务范式处理器连接，用于显示步态训练任务范式场景、场景中的虚拟人物动作和节律性提示信息。


2.根据权利要求1的一种帕金森病的脑控步态训练系统，其特征在于：任务范式处理器的任务范式场景构建与调整模块，构建步态训练任务范式场景，包括运动想象和实际运动两个阶段，均加入视听觉节律性提示信息；范式设计为下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动模式，运动想象阶段引导患者按节律想象自身下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动；实际运动阶段引导患者按节律进行下肢迈步与上肢手臂摆动的协调运动；根据眼动数据分析装置记录的患者注视点位置和移动路径动态调整范式场景的空间视角、视听觉节律性提示信息的空间位置。


3.根据权利要求2的一种帕金森病的脑控步态训练系统，其特征在于：任务范式场景采用虚拟现实场景或增强现实场景；若采用虚拟现实场景，需构建步态训练任务范式所需的虚拟背景，以及包含步态训练任务、虚拟人物和节律性提示信息的虚拟前景；若采用增强现实场景，场景的构建需增加图像采集装置，实时采集真实场景图像后传入任务范式处理器进行分析生成场景背景，在此基础上叠加包含步态训练任务、虚拟人物和节律性提示信息的虚拟前景。


4.根据权利要求1的一种帕金森病的脑控步态训练系统，其特征在于：任务范式处理器的虚拟人物肢体动作控制模块，在任务范式的运动想象阶段，根据脑电信号分析装置计算所得的事件相关同步/去同步能量特征数据控制范式场景中虚拟人物肢体的动作；在任务范式的实际运动阶段，接收肢体动作采集装置所采集的肢体动作数据并进行空间坐标映射后，与脑电信号分析装置计算所得的事件相关同步/去同步能量特征数据结合，按比例共同控制范式场景中虚拟人物肢体的动作。


5.根据权利要求4的一种帕...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐佳琳，左国坤，周慧琳，宋涛，施长城，
申请(专利权)人：中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33