基于脑机接口的下肢康复系统研究

基于脑机接口的下肢康复系统研究

孙磊昱,李怡晨,陈雨豪,覃邦钊 ,杨卫红通讯作者李超科通讯作者

河南省新乡市新乡医学院三全学院453004

摘要：本研究公开了一种可医用的骨折康复训练系统，涉及医疗技术领域。利用脑机接口及虚拟现实技术（VR）通过监测、识别脑电信号和发挥VR的多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中的作用，使人们的大脑主动的将意图和想法转换成对多自由度下肢机械外骨骼的控制指令，从而使大脑的电信号通过神经传导反复刺激下肢术后接好的神经并结合专业的康复训练动作精准的把握适合人体下肢骨骼恢复的最佳活动度数，达到全智能化高效精确地辅助骨折引起的神经性损伤患者进行手术后康复训练。

关键词：脑机接口 下肢骨折 康复 机械外骨骼 VR

引言：

据不完全统计，中国每年新增的骨折患者至少在200万人以上，社会对康复医疗的需求巨大。然而，我国具有资格的康复治疗师缺口很大。与我国庞大的有康复需求的人数量相比，康复治疗仍不能满足需求。骨折患者能否接受合理有效的康复治疗，直接影响到患者的生存质量和生活质量。高精度，便操作且人性化的骨折康复训练系统的存在更是举足轻重。

1 背景技术

目前，脑机接口已运用于脑卒中引起的偏瘫以及骨折康复训练智能化设备等研究，脑机接口以其脑和外部设备间的双向信息交换的特点成为最有潜力的康复治疗方法之一，而外部设备在使用时，由于患者下肢粗细程度不一，在进行佩戴时难以使设备内壁与患者下肢相互贴合，降低了设备的恢复效果。

脑机接口是建立在大脑和外部环境之间的技术，使得大脑在不依赖外周神经肌肉组织的情况下与外界进行交流。其目的一方面是脑控，将大脑活动转换成指令，通过大脑信号的解析操作机器；另一方面是控脑，可以通过对大脑进行刺激从而提供感觉反馈或者对神经功能进行修复。

2 国内外研究

2.1国外研究

19世纪，英国生物学家R.Caton在后猴和兔的大脑上测得脑电波。[1] 1970年Jacquse Vida教授首次提出了脑机接口（Brian-computer interface）的概念，Vida通过采取器材对采取的脑电波分析处理，可以让使用这仅仅用意念控制荧屏光标。[2] Vida的实验就此真正的开启了脑机接口的大门。脑机接口也被应用于各行各业，特别是应用于医疗行业的康复仪器，瘫痪者的虚拟键盘等。关于基于脑机接口的康复仪器从2008年德国图宾根大学的教授首次实现了脑磁图下的脑机接口康复系统。利用仪器帮助脑卒中的患者恢复手部运动功能，随后又相继推出了一系列的相关脑机接口的康复仪器。[3]

2.2国内研究

我国脑机接口的发展从20世纪开始国内学者接触到脑机接口，建国初期国家的资金短缺和发展关注点更侧重于经济发展，近年来我国关于脑机接口的研究逐步取得了一些成就。张丽清教授开发出了异步BIC脑控系统[4]，随后高上凯教授又研制出了高效传输系统的BIC，在分析脑电波和处理脑电波信息的能力上都有这不错的表现。[5] 然而我国在脑机接口技术的应用上，目前基本只限于在脑卒中引起的偏瘫等症状上的应用，在骨折康复训练方面仍无涉及

3 基于脑机接口的下肢康复系统实现原理

本研究主要是通过外骨骼连接脑机接口，通过现有的脑机接口技术接受大脑的指令再反馈到电脑上进行人工智能分析将电信号传给外骨骼，外骨骼通过按压组件的设置，当微型电机运行时，能够通过限位环架内部与限位球外侧固定安装的传动凸块之间的配合，带动限位球以及转轴进行转动，然后同时带动若干个胶型按压棒对患者的腿部进行按压康复训练，同时根据患者下肢的粗细程度，转轴能够在转动的同时通过限位架内部弹簧体的限位，使得内部的轴承带动转轴的一端向一侧移动，同时转轴另一端固定安装的限位球能够在对应的限位环架内部转动进行位置的调节，使得设备在对患者进行康复按压的同时能够根据患者的下肢进行角度的调节，提升了设备的康复效果以及适用范围。

4 基于脑机接口的下肢康复系统外骨骼的设计

针对现有技术的不足，本研究提供了一种可医用的骨折康复训练系统，解决了适用性较差的问题。

为实现以上目的，本研究通过以下技术方案予以实现：基于脑机接口的骨折康复训练系统，包括下肢板，所述下肢板有两个、且两个下肢板之间转动安装有限位轴，两个所述下肢板的外侧固定安装有，定位片其特征在于：两个所述下肢板的内侧均设置有按压组件，所述按压组件包含有转轴，所述转轴转动安装在对应的下肢板的内部，所述转轴的外侧固定套接有若干个胶型按压棒、且端部固定安装有限位球，所述下肢板的内部固定安装有微型电机，所述微型电机的输出端固定安装有限位环架，所述限位球滑动安装在对应的限位环架内部、且限位球外侧固定安装的传动凸块与限位环架内部相互对应，所述下肢板的内部固定安装有定位架，所述限位环架转动安装在定位架的内部，所述下肢板的内侧底部固定安装有限位架，所述限位架的内部设置有轴承、且轴承与限位架内壁之间固定安装有弹簧体，所述转轴的另一端转动安装在轴承的内部。

附图：

             图1

            图2

5 结果与展望

在临床上，骨折是一种比较常见的病症。其原因多数都是由于病人受到直接外力，或间接外力而造成的。骨折多见于儿童及老年人，中青年也时有发生。病人常为—个部位骨折，少数为多部位骨折，经及时恰当处理和良好的骨折康复训练多数病人能恢复原来的功能，否则可留有不同程度的后遗症。我国面对人口逐渐老龄化的中国我们必须防范于未然。老年人是骨质疏松的庞大群体，骨质疏松又是骨折的重要因素之一。在未来，骨折康复系统将有望实现精准、智能化发展，可与智能手机相结合APP相结合来记录人体日常检测数据，利用大数据技术对监测数据可以实现高效利用，对科学研究提供更多的参考依据。

参考文献：

[1]JjiaZ.An Algorithm for Idle-State Detection and Contimuous Classifier Designin Motor-Imagery -BasedBCI[J]. Jounal of Electronic Science and Technology of China, 2009,(O1)

[2][Jacues J. Vidal. Toward Direct Brain-Computer Communication[J. Annual Review of Biophysics and Bioengineering,1973，157~180

[3]楼铁柱.刘术刁天喜.人体增强技术及其军事应用前景与影响分析[J.军事医学,2014,38(01):6-9

[4]赵启斌 张丽清.CICHOCKI Andrzei.三维虚拟现实环境中基于EEG的异步BCI小车导航系统[J.科学通报,2008(23):2888-2895

[5]潘洁.高小榕,高上凯.稳态视觉诱发电位频率与相位特性的脑电研究[.清华大学学报(自然科学版),.2011,51(02):250254