專利名稱：輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，輔助運動控制方法可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、運動等領(lǐng)域。例如，通過控制截肢者進(jìn)行運動可實現(xiàn)截肢者的運動康復(fù)訓(xùn)練。傳 統(tǒng)的輔助運動動作的控制方法中，往往只是實現(xiàn)單純的肌電信號模擬，對假肢進(jìn)行的一些實用性訓(xùn)練，訓(xùn)練緩慢，效果不理想，難以實現(xiàn)截肢者在使用假肢后大腦初級運動皮層的重塑，不利于截肢者假肢的使用。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種能有效促進(jìn)截肢者大腦初級運動皮層重塑的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)和方法。一種輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng),包括磁共振掃描裝置，對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描，獲得被控元件的擁有者的大腦初級運動皮層的掃描圖像；處理器，用于接收所述磁共振掃描裝置得到的掃描圖像，并對所述掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)；顯示器，接收并顯示所述處理器得到的關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)，指導(dǎo)被控元件的擁有者進(jìn)行模擬輔助運動訓(xùn)練。在其中一個實施例中，所述被控元件的擁有者為上肢截肢者；所述對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描是在所述上肢截肢者進(jìn)行交替的幻肢的想象運動和靜息狀態(tài)時對所述上肢截肢者進(jìn)行實時磁共振掃描，得到其大腦初級運動皮層的掃描圖像。在其中一個實施例中，所述處理器包括存儲模塊，接收并存儲所述掃描圖像；感興趣區(qū)獲取模塊，用于從所述掃描圖像中找到大腦初級運動皮層內(nèi)激活最強(qiáng)的像素點，并以所述像素點為中心生成關(guān)于神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)作為所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域；參考感興趣區(qū)獲取模塊，用于選取大腦初級運動皮層的軸狀位的一層生成參考感興趣區(qū)；灰度值時間序列生成模塊，用于獲取實時檢測的每一幀掃描圖像中所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值，分別生成所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值關(guān)于時間的序列；分析模塊，按照如下公式計算得到所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)
fMRI_signal — (Itask/E01_lrest/E0l) _ (Itask/E01_ref_lrest/E01_ref)其中，fMRI_signal為所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號的像素灰度值變化；Itask/KQI為所述想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；IMst/Kra為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；Itask/Kra—M為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值 ;Irest/ROI—ref 為靜息狀態(tài)下一巾貞掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值。在其中一個實施例中，所述感興趣區(qū)是在所述大腦初級運動皮層中以所述激活最強(qiáng)的像素點為中心的16. 5*16. 5*5mm3的區(qū)域。
在其中一個實施例中，還包括預(yù)處理模塊，所述預(yù)處理模塊用于在得到所述掃描圖像后對所述掃描圖像進(jìn)行的格式轉(zhuǎn)換、頭動校正、標(biāo)準(zhǔn)化及平滑處理。在其中一個實施例中，所述分析模塊在得到關(guān)于所述像素灰度值變化的參數(shù)后，還根據(jù)所述神經(jīng)信號的變化作出關(guān)于時間的動態(tài)變化曲線，再將所述動態(tài)變化曲線傳給所述顯示器。在其中一個實施例中，所述處理器還包括肌電信號采集模塊，所述肌電信號采集模塊在上肢截肢者進(jìn)行幻肢的模擬運動康復(fù)訓(xùn)練時實時監(jiān)測上肢截肢者殘肢的肌電信號，并將所述肌電信號反饋給所述顯示器顯示。一種輔助運動訓(xùn)練方法，包括如下步驟使用磁共振掃描裝置對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描，獲得被控元件的擁有者的大腦初級運動皮層的掃描圖像；對所述掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)；將所述像素灰度值變化的參數(shù)顯示給被控元件的擁有者，指導(dǎo)被控元件的擁有者進(jìn)行模擬輔助運動訓(xùn)練。在其中一個實施例中，所述被控元件的擁有者為上肢截肢者；所述對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描是在所述上肢截肢者進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息狀態(tài)時對所述上肢截肢者進(jìn)行實時磁共振掃描，得到其大腦初級運動皮層的掃描圖像；所述想象運動包括在30秒內(nèi)交替進(jìn)行的想象握拳和想象展開運動，所述想象握拳和想象展開的頻率均為5秒/次，所述靜息狀態(tài)的時間為30秒，所述想象運動與所述靜息狀態(tài)交替進(jìn)行；所述實時磁共振掃描的采樣間隔為2秒。在其中一個實施例中，對所述掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)，包括如下步驟從所述掃描圖像中找到大腦初級運動皮層內(nèi)激活最強(qiáng)的像素點，并以所述像素點為中心生成關(guān)于神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)作為所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域；選取大腦初級運動皮層的軸狀位的一層生成參考感興趣區(qū)；獲取實時檢測的每一幀掃描圖像中所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值，分別生成所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值關(guān)于時間的序列；
按照如下公式計算得到所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)fMRI_signal — (Itask/E01_lrest/E0l) _ (Itask/E01_ref_lrest/E01_ref)其中，fMRI_signal為所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號的像素灰度值變化；Itask/Kra為所述想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；IMst/Kra為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；Itask/Kra—%為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值 ;Irest/ROI—ref 為靜息狀態(tài)下一巾貞掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值。
在其中一個實施例中，所述感興趣區(qū)是在所述大腦初級運動皮層中以所述激活最強(qiáng)的像素點為中心的16. 5*16. 5*5mm3的區(qū)域。在其中一個實施例中，還包括在得到所述掃描圖像后對所述掃描圖像進(jìn)行的格式轉(zhuǎn)換、頭動校正、標(biāo)準(zhǔn)化及平滑處理的預(yù)處理步驟。在其中一個實施例中，將所述像素灰度值變化的參數(shù)顯示給被控元件的擁有者具體是根據(jù)所述神經(jīng)信號的像素灰度值變化作出關(guān)于時間的動態(tài)變化曲線顯示給所述上肢截肢者，所述上肢截肢者可根據(jù)所述動態(tài)變化曲線進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息的模擬運動
康復(fù)訓(xùn)練。在其中一個實施例中，還包括在上肢截肢者進(jìn)行模擬運動康復(fù)訓(xùn)練時實時監(jiān)測上肢截肢者殘肢的肌電信號，并顯示所述肌電信號的步驟。上述輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)及方法基于磁共振技術(shù)實時監(jiān)測截肢者大腦初級運動皮層的神經(jīng)反饋信號，進(jìn)而從運動皮層角度指導(dǎo)截肢者進(jìn)行殘肢的運動康復(fù)訓(xùn)練，促進(jìn)截肢者大腦初級運動皮層重塑適應(yīng)新的假肢，可顯著改善其假肢的運用條件。此外，該系統(tǒng)及方法還可以在截肢者殘肢的運動康復(fù)訓(xùn)練過程中實時監(jiān)測截肢者殘肢的肌電信號，從而引入一個客觀指標(biāo)用以評價截肢者運動康復(fù)訓(xùn)練的效果。


圖I為一實施方式的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為磁共振掃描過程中截肢者進(jìn)行交替的想象運動和靜息狀態(tài)的實驗設(shè)計示意圖；圖3為截肢者大腦掃描圖像中感興趣區(qū)和參考感興趣區(qū)的位置示意圖；圖4為截肢者神經(jīng)信號的動態(tài)變化曲線圖；圖5為一實施方式的輔助運動訓(xùn)練方法流程圖。
具體實施例方式下面主要結(jié)合附圖及具體實施例對輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)及方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖I所示，一實施方式的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)100包括磁共振掃描裝置110、處理器120、顯示器130及肌電信號采集模塊140。磁共振掃描裝置110可用于在被控元件的擁有者(在本實施方式中，被控元件的擁有者為上肢截肢者，以下以截肢者代稱)進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息狀態(tài)下對截肢者進(jìn)行實時的磁共振掃描，以獲得截肢者的大腦初級運動皮層的掃描圖像。如圖2所示，本實施方式的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)100主要適用于上肢截肢者，截肢者在想象運動狀態(tài)時盡力進(jìn)行幻肢的想象握拳和想象展開運動，頻率可以保持在5秒/次，想象握拳與想象展開交替進(jìn)行，想象運動狀態(tài)可持續(xù)30秒，想象運動與靜息狀態(tài)交替進(jìn)行，各進(jìn)行30秒，在靜息狀態(tài)下，截肢者不進(jìn)行任何關(guān)于幻肢的想象動作。為保證磁共振掃描裝置110采集足夠幀數(shù)的掃描圖像，截肢者想象運動和靜息狀態(tài)可交替進(jìn)行8分鐘。在本實施方式中，磁共振掃描裝置110的采樣間隔為2秒。處理器120用于接收來自磁共振掃描裝置110的掃描圖像，并對掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)。在本實施方式中，處理器120包括存儲模塊121、預(yù)處理模塊122、感興趣區(qū)獲取模塊123、參考感興趣區(qū)獲取模塊124、灰度值 時間序列生成模塊125及分析模塊126。存儲模塊121用于存儲接收的掃描圖像及處理器120中其他各模塊分析處理的結(jié)果。磁共振掃描裝置110將實時采集的截肢者大腦初級運動皮層的dicom格式的每一幀掃描圖像實時傳送至存儲模塊121中。預(yù)處理模塊122主要用于對存儲模塊121中的每一幀掃描圖像進(jìn)行的格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成處理器可識別的img/hdr等格式的數(shù)據(jù)，以及對轉(zhuǎn)換格式后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行頭動校正、標(biāo)準(zhǔn)化及平滑處理等。感興趣區(qū)獲取模塊123用于從預(yù)處理后的掃描圖像中找到大腦初級運動皮層內(nèi)最強(qiáng)的像素點，并以該像素點為中心生成關(guān)于神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)。如圖3所示，在本實施方式中，感興趣區(qū)是以最強(qiáng)像素點為中心的一塊16. 5*16. 5*5mm3的區(qū)域。參考感興趣區(qū)獲取模塊124用于在預(yù)處理后的大腦初級運動皮層的掃描圖像中生成一參考感興趣區(qū)。如圖3所示，在本實施方式中，參考感興趣是遠(yuǎn)離感興趣區(qū)的大腦初級運動皮層軸狀位的一層?；叶戎禃r間序列生成模塊125用于獲取實時檢測的經(jīng)預(yù)處理的每一幀掃描圖像中感興趣區(qū)及參考感興趣區(qū)的像素灰度值，分別生成感興趣區(qū)及參考感興趣區(qū)的像素灰度值關(guān)于時間的序列。分析模塊126用于分析計算感興趣區(qū)的神經(jīng)信號的變化與時間的關(guān)系。在本實施方式中，分析模塊126按照如下公式計算得到感興趣區(qū)的關(guān)于神經(jīng)信號的像素灰度值變化的參數(shù)fMRI_signal — (Itask/E01_lrest/E0l) _ (Itask/E01_ref_lrest/E01_ref)其中，fMRI_signal為感興趣區(qū)的神經(jīng)信號的變化；Itask/Kra為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值;Irest/E0I為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；Itask/Kra—為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值 Irest/ROI—ref 為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值。顯示器130接收處理器120分析處理得到的關(guān)于神經(jīng)信號的像素灰度值變化的參數(shù)，生成神經(jīng)信號的實時動態(tài)變化曲線顯示給截肢者并指導(dǎo)截肢者進(jìn)行幻肢的運動康復(fù)訓(xùn)練。如圖4所示，當(dāng)曲線中神經(jīng)信號的強(qiáng)度位于較低區(qū)間時，截肢者不進(jìn)行任何幻肢的想象運動，當(dāng)曲線中神經(jīng)信號的強(qiáng)度位于較高區(qū)間時，截肢者進(jìn)行幻肢的想象運動，如進(jìn)行交替的想象握拳和想象展開運動等。截肢者需要盡量控制反饋曲線的變化，在進(jìn)行想象運動時努力保持神經(jīng)信號強(qiáng)度上升的趨勢。肌電信號采集模塊140在截肢者進(jìn)行模擬運動康復(fù)訓(xùn)練時實時監(jiān)測截肢者殘肢的肌電信號。肌電信號采集模塊140使用由導(dǎo)電銀漿經(jīng)過絲印技術(shù)印于棉質(zhì)基材上制作而成采集電極，在信號采集時，將采集電極順著肌纖維方向貼附于截肢者殘肢的前臂靠近肘部部分的肱橈肌上，截肢者根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)的動作。肌電信號在采集系統(tǒng)中經(jīng)過帶通濾波、陷波以及偽跡去除后進(jìn)入分析系統(tǒng)，由分析軟件得出最終結(jié)果，再將該最終結(jié)果通過曲線或圖標(biāo)等形式反饋給顯示器130顯示，可以對比肌電信號與神經(jīng)信號動態(tài)變化曲線，由于肌電信號的強(qiáng)弱與截肢者訓(xùn)練效果成正比關(guān)系，故采集截肢者的殘肢的肌電信號，可以監(jiān)測截肢者康復(fù)訓(xùn)練時的效果。
可以理解，在其他實施方式中，感興趣區(qū)的尺寸可以不限于上述尺寸。處理模塊120中可以不設(shè)置預(yù)處理模塊122，只要其他相應(yīng)的模塊可以識別掃描圖像數(shù)據(jù)即可。該訓(xùn)練系統(tǒng)100還可以不包括肌電信號采集模塊140，只要截肢者參照顯示的神經(jīng)信號的實時動態(tài)變化曲線進(jìn)行相應(yīng)的幻肢練習(xí)即可。由于該神經(jīng)信號的實時動態(tài)變化曲線是來自截肢者自身的大腦初級運動皮層的投影，因此，該訓(xùn)練方法可以基于皮層的運動模式較好的對截肢者的殘肢進(jìn)行運動康復(fù)訓(xùn)練。此外，本實施方式還提供了一種輔助運動訓(xùn)練方法，如圖5所示，該訓(xùn)練方法包括如下步驟步驟S210 :在截肢者進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息狀態(tài)時對截肢者進(jìn)行實時磁共振掃描，得到截肢者的大腦初級運動皮層的掃描圖像。在本實施方式中，如圖2所示，想象運動包括在30秒內(nèi)交替進(jìn)行的想象握拳和想象展開運動，想象握拳和想象展開的頻率均為5秒/次，靜息狀態(tài)的時間為30秒，想象運動與靜息狀態(tài)交替進(jìn)行。實時磁共振掃描的采樣間隔為2秒。步驟S220 :在得到掃描圖像后對掃描圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、頭動校正、標(biāo)準(zhǔn)化及平
滑處理等預(yù)處理。步驟S230 :對掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)。其具體包括如下步驟步驟S232 :從掃描圖像中找到大腦初級運動皮層內(nèi)最強(qiáng)的像素點，并以像素點為中心得到關(guān)于神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)。在本實施方式中，感興趣區(qū)是在大腦初級運動皮層中以像素點為中心的16. 5*16. 5*5mm3 的區(qū)域。步驟S234 :選取遠(yuǎn)離感興趣區(qū)的大腦初級運動皮層的軸狀位的一層作為參考感興趣區(qū)。步驟S236 :實時檢測每一幀掃描圖像中感興趣區(qū)及參考感興趣區(qū)的像素灰度值，分別得到感興趣區(qū)及參考感興趣區(qū)的像素灰度值的時間序列，按照如下公式計算得到感興趣區(qū)的關(guān)于神經(jīng)信號的像素灰度值變化的參數(shù)fMRI—SI gn&l (Itask/ROI ^rest/ROi) ^ task/EOIref -^rest/EOIref^其中，fMRI_signal為感興趣區(qū)的像素灰度值的變化；Itask/Kra為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；IMst/Kra為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；Itask/Kra—M為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值 ;Irest/ROI—ref 為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值。步驟S240 :將感興趣區(qū)的像素灰度值的變化反饋給截肢者，指導(dǎo)截肢者進(jìn)行幻肢的模擬運動康復(fù)訓(xùn)練。具體是根據(jù)像素灰度值的變化作出關(guān)于時間的動態(tài)變化曲線顯示給截肢者，如圖4所示，截肢者可根據(jù)動態(tài)變化曲線進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息 的模擬運動康復(fù)訓(xùn)練。步驟S250 :在截肢者進(jìn)行模擬運動康復(fù)訓(xùn)練時實時監(jiān)測截肢者殘肢的肌電信號，并顯示肌電信號?？梢岳斫猓谄渌麑嵤┓绞街?，步驟S220中掃描圖像的預(yù)處理及步驟S270中實時監(jiān)測截肢者殘肢的肌電信號可以省略，同訓(xùn)練系統(tǒng)100。上述輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)及方法基于磁共振技術(shù)實時監(jiān)測截肢者大腦初級運動皮層的神經(jīng)反饋信號，進(jìn)而指導(dǎo)截肢者進(jìn)行殘肢的運動康復(fù)訓(xùn)練，促進(jìn)截肢者大腦初級運動皮層重組，可顯著改善其假肢的運用條件此外，該系統(tǒng)及方法還可以在截肢者殘肢的運動康復(fù)訓(xùn)練過程中實時監(jiān)測截肢者殘肢的肌電信號，從而引入一個客觀指標(biāo)用以評價截肢者運動康復(fù)訓(xùn)練的效果。以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，包括 磁共振掃描裝置，對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描，獲得被控元件的擁有者的大腦初級運動皮層的掃描圖像； 處理器，用于接收所述磁共振掃描裝置得到的掃描圖像，并對所述掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)； 顯示器，接收并顯示所述處理器得到的關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)，指導(dǎo)被控元件的擁有者進(jìn)行模擬輔助運動訓(xùn)練。
2.如權(quán)利要求I所述的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述被控元件的擁有者為上肢截肢者；所述對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描是在所述上肢截肢者進(jìn)行交替的幻肢的想象運動和靜息狀態(tài)時對所述上肢截肢者進(jìn)行實時磁共振掃描，得到其大腦初級運動皮層的掃描圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器包括 存儲模塊，接收并存儲所述掃描圖像； 感興趣區(qū)獲取模塊，用于從所述掃描圖像中找到大腦初級運動皮層內(nèi)激活最強(qiáng)的像素點，并以所述像素點為中心生成關(guān)于神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)作為所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域； 參考感興趣區(qū)獲取模塊，用于選取大腦初級運動皮層的軸狀位的一層生成參考感興趣區(qū)； 灰度值時間序列生成模塊，用于獲取實時檢測的每一幀掃描圖像中所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值，分別生成所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值關(guān)于時間的序列； 分析模塊，按照如下公式計算得到所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù) fMRI_signal = (Itask/R0I_I rest/ROi) (I task/ROI—ref -^rest/EOIref^ 其中，fMRI_signal為所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號的像素灰度值變化；Itask/Kra為所述想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；IMst/Kra為靜息狀態(tài)下一幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；Itask/Kra—為想象運動狀態(tài)下一幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值 ;Irest/ROI—ref 為靜息狀態(tài)下一巾貞掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值。
4.如權(quán)利要求3所述的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述感興趣區(qū)是在所述大腦初級運動皮層中以所述激活最強(qiáng)的像素點為中心的16. 5*16. 5*5mm3的區(qū)域。
5.如權(quán)利要求3所述的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，還包括預(yù)處理模塊，所述預(yù)處理模塊用于在得到所述掃描圖像后對所述掃描圖像進(jìn)行的格式轉(zhuǎn)換、頭動校正、標(biāo)準(zhǔn)化及平滑處理。
6.如權(quán)利要求3所述的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述分析模塊在得到關(guān)于所述像素灰度值變化的參數(shù)后，還根據(jù)所述神經(jīng)信號的變化作出關(guān)于時間的動態(tài)變化曲線，再將所述動態(tài)變化曲線傳給所述顯示器。
7.如權(quán)利要求3所述的輔助運動訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器還包括肌電信號采集模塊，所述肌電信號采集模塊在上肢截肢者進(jìn)行幻肢的模擬運動康復(fù)訓(xùn)練時實時監(jiān)測上肢截肢者殘肢的肌電信號，并將所述肌電信號反饋給所述顯示器顯示。
8.ー種輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在于，包括如下步驟 使用磁共振掃描裝置對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描，獲得被控元件的擁有者的大腦初級運動皮層的掃描圖像； 對所述掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)； 將所述像素灰度值變化的參數(shù)顯示給被控元件的擁有者，指導(dǎo)被控元件的擁有者進(jìn)行模擬輔助運動訓(xùn)練。
9.如權(quán)利要求8所述的輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在干，所述被控元件的擁有者為上肢截肢者； 所述對被控元件的擁有者進(jìn)行實時磁共振掃描是在所述上肢截肢者進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息狀態(tài)時對所述上肢截肢者進(jìn)行實時磁共振掃描，得到其大腦初級運動皮層的掃描圖像； 所述想象運動包括在30秒內(nèi)交替進(jìn)行的想象握拳和想象展開運動，所述想象握拳和想象展開的頻率均為5秒/次，所述靜息狀態(tài)的時間為30秒，所述想象運動與所述靜息狀態(tài)交替進(jìn)行； 所述實時磁共振掃描的采樣間隔為2秒。
10.如權(quán)利要求9所述的輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在于，對所述掃描圖像進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于大腦初級運動皮層中激活最強(qiáng)的像素區(qū)域，生成所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù)，包括如下步驟 從所述掃描圖像中找到大腦初級運動皮層內(nèi)激活最強(qiáng)的像素點，并以所述像素點為中心生成關(guān)于神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)作為所述激活最強(qiáng)的像素區(qū)域； 選取大腦初級運動皮層的軸狀位的ー層生成參考感興趣區(qū)； 獲取實時檢測的每ー幀掃描圖像中所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值，分別生成所述感興趣區(qū)及所述參考感興趣區(qū)的像素灰度值關(guān)于時間的序列； 按照如下公式計算得到所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號關(guān)于像素灰度值變化的參數(shù) fMRI_signal = (Itask/R0I_I rest/EOI^ ゝ I task/ROI—ref -^rest/EOIref^ 其中，fMRI_signal為所述感興趣區(qū)的神經(jīng)信號的像素灰度值變化；Itask/Kra為所述想象運動狀態(tài)下ー幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；しSt/Kra為靜息狀態(tài)下ー幀掃描圖像中感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值；Itask/Kra—為想象運動狀態(tài)下ー幀掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值 ;Irest/ROI—ref 為靜息狀態(tài)下ー巾貞掃描圖像中參考感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度值的平均值。
11.如權(quán)利要求10所述的輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在于，所述感興趣區(qū)是在所述大腦初級運動皮層中以所述激活最強(qiáng)的像素點為中心的16. 5*16. 5*5mm3的區(qū)域。
12.如權(quán)利要求10所述的輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在于，還包括在得到所述掃描圖像后對所述掃描圖像進(jìn)行的格式轉(zhuǎn)換、頭動校正、標(biāo)準(zhǔn)化及平滑處理的預(yù)處理步驟。
13.如權(quán)利要求10所述的輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在干，將所述像素灰度值變化的參數(shù)顯示給被控元件的擁有者具體是根據(jù)所述神經(jīng)信號的像素灰度值變化作出關(guān)于時間的動態(tài)變化曲線顯示給所述上肢截肢者，所述上肢截肢者可根據(jù)所述動態(tài)變化曲線進(jìn)行幻肢的想象運動和靜息的模擬運動康復(fù)訓(xùn)練。
14.如權(quán)利要求10所述的輔助運動訓(xùn)練方法，其特征在于，還包括在上肢截肢者進(jìn)行模擬運動康復(fù)訓(xùn)練時實時監(jiān)測上肢截肢者殘肢的肌電信號，并顯示所述肌電信號的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輔助運動訓(xùn)練方法和訓(xùn)練系統(tǒng)，該訓(xùn)練方法主要包括如下步驟功能定位，找出截肢者幻肢在大腦初級運動皮層中的映射區(qū)，作為提取實時神經(jīng)反饋信號的感興趣區(qū)；基于功能磁共振技術(shù)的神經(jīng)信號實時反饋系統(tǒng)，利用功能磁共振技術(shù)實時提取感興趣區(qū)的神經(jīng)信號指導(dǎo)截肢者進(jìn)行殘肢的運動康復(fù)訓(xùn)練；肌電信號采集系統(tǒng)，采集截肢者殘肢肌電信號，實時監(jiān)測截肢者康復(fù)訓(xùn)練效果。該運動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及方法基于磁共振技術(shù)實時監(jiān)測截肢者大腦初級運動皮層的神經(jīng)反饋信號，進(jìn)而指導(dǎo)截肢者進(jìn)行殘肢的運動康復(fù)訓(xùn)練，促進(jìn)截肢者大腦初級運動皮層重組，可顯著改善其假肢的運用條件。
文檔編號A61B5/055GK102764474SQ20121015400
公開日2012年11月7日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者劉小武, 張浩詩, 李光林, 李琳玲, 王輝, 秋云海 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院