一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说，是一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置。
背景技术
目前针对神经损伤引起的感觉功能障碍，采用不同材料的物品(如棉花，纱布，纸片，砂纸等)，人工分别进行视觉-触觉训练和听觉-触觉训练，往往需要多套设备，且效果不一。由于感觉障碍的治疗进展缓慢，见效慢，训练时程少至数月，长至数年，患者难以坚持治疗，影响治疗效果。
运动想象疗法是指为了提高运动功能而进行的反复运动想象，没有任何运动输出，根据运动记忆在大脑中激活某一活动的特定区域，从而达到提高运动功能的目的。对于脑损伤患者来说，尽管存在身体功能障碍，但运动“流程图”可能仍保存完整或部分存在。任何随意运动，总是在脑内先有运动意念，然后才有兴奋冲动传出直至出现运动。脑卒中不全偏瘫肢体在运动时也总是先有运动意念，然后才有肌肉收缩和肢体运动，康复的作用之一是反复强化这一从大脑至肌群的正常运动模式，运动意念更能有效地促进这一正常运动传导通路的强化。早期应用运动想象可以增强感觉信息的输入，促进潜伏通路和休眠突触的活化，加速缺血半暗带的再灌注及脑血流的改善，降低神经功能的损害程度，配合其他治疗，可提高康复治疗效果，降低脑卒中的致残程度。对于完全瘫痪的患者，通过运动想象，可促使受损运动传导路的修复或重建，这也支持中枢神经损伤后有部分休眠状态的突触能苏醒并起到代偿作用，其阈值随频繁的使用而降低的理论。较之被动活动肢体，运动想象可能更符合正由大脑到肢体的兴奋传导模式，从而更能有效地促进正常运动反射弧的形成。目前的脑机接口康复设备都是在患者已有强大运动想象能力的假定基础上开发的，然而运动想象能力亦如三维空间能力一样，每个人各有差异。
中国专利申请CN111110982A公开了一种基于运动想象的手部康复训练方法，首先设计包含文字语音、图片语音、虚拟动作在内的多种虚拟场景，深层次诱导受试者进行肢体运动想象；通过脑电采集设备实时采集大脑运动想象区的脑电信号，经信号预处理、特征提取、分类识别后将结果以指令形式通过蓝牙发送给可穿戴康复机械手，利用可穿戴康复机械手辅助受试者进行抓握训练，实现运动想象和物理治疗相结合方式进行手部康复训练。同时，通过LeapMotion采集受试者手部动作，并同步到虚拟场景中的虚拟手，实现可穿戴康复机械手与虚拟手的虚实交互，刺激受试者进行主动运动想象。本申请通过构建不同的虚拟场景和LeapMotion视觉反馈刺激患者大脑功能神经的激活程度，提高康复训练的趣味性和患者康复训练的主动性；利用运动想象脑肌接口控制可穿戴康复机械手进行抓取动作训练，实现可穿戴康复机械手抓握和LeapMotion虚拟手抓握的虚实交互，进而重塑脑卒中患者的大脑运动区功能。但其功能单一，虚拟应用场景仅训练手指屈曲抓握能力，并未对手指的各种复杂精细活动(如对指、侧捏等)进行训练；该设备原理基于特定动作(手指抓握)运动想象能力意图的识别，而目前读取某个动作的脑电意图信号的算法技术尚未完全成熟，存在误判可能；同时该设备是基于初始10次手指抓握运动想象的模型进行反复训练，对于无(低)运动想象能力患者不适用，反而会降低患者的积极性，因此该治疗设备存在局限性。
综上所述，亟需一种集合感觉输入刺激和可视化的运动想象疗法进行上肢的感觉运动控制训练，形成感觉运动(输入-输出)训练的神经环路，激活体感区、运动辅助前区、主要运动区、初级次级运动感觉皮层和顶额镜像神经元系统，集感觉运动统合康复训练于一体的上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置。
发明内容
本发明的目的是，为上运动神经元损伤引起的感觉运动功能障碍患者提供一种集合上肢感觉输入刺激和可视化的运动想象能力的训练，其中多种感觉输入为感觉障碍患者提供感觉再训练，运动想象能力训练为运动障碍患者提供可视化的运动想象反馈再训练，形成感觉运动(输入-输出)训练的神经环路，激活脑区功能和镜像神经元系统，集感觉运动统合康复训练于一体的上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置，包括箱体、控温设备、控制装置、监控设备、运动想象可视化模块；所述箱体包括箱盖、通气孔、承托部；所述箱体其一侧设有手臂插入口，所述手臂插入口其上设有囊袋，其中，所述囊袋上设有弹性松紧口；所述承托部包括承托杆、承托环、传动杆；所述承托环与所述承托杆固定相连，所述承托杆与所述传动杆活动相连，所述传动杆一端设有传动旋钮，所述传动旋钮设于所述箱体外侧；所述传动杆与所述箱体相连，所述传动杆可实现所述承托杆的滑动；所述控温设备设于所述箱体下方，用于向所述箱体内提供冷热气流；所述箱体底部铺设有填充物；所述监控设备包括摄像头、压力传感器、温度传感器、光照装置；所述光照装置为箱体内部提供照明，所述摄像头用于监控箱体内部，所述压力传感器用于感应箱体内部环境压力，所述温度传感器用于监控箱体内部温度；所述控制装置包括显示模块、电源模块、控制按钮、中央处理模块；所述电源模块用于为各用电元件提供电源；所述显示模块用于显示相应数据参数；所述控制按钮用于相应参数的设定；所述中央处理模块用于数据的运算处理；所述运动想象可视化模块包括成像终端、监测终端；所述监测终端用于检测患者脑电波，所述成像终端用于处理显示相关数据、虚拟成像；所述监测终端将数据传输于所述成像终端；所述成像终端与所述箱体实现数据共享。
作为一种优选的技术方案，所述箱盖设于所述箱体其上端，其中，所述箱盖与所述箱体之间还设有玻璃隔层，所述玻璃隔层与所述箱体可拆卸相连。
作为一种优选的技术方案，所述传动杆通过导轨与所述箱体底部活动相连，所述传动杆采用螺纹传动。
作为一种优选的技术方案，所述承托环为半圆环结构，其内表面设有柔软内衬，其中，所述承托环其中心与所述手臂插入口其中心相对。
作为一种优选的技术方案，所述控温设备利用压缩机进行制冷制热控温。
作为一种优选的技术方案，其特征在于，所述摄像头将手臂手指静息时的形态数据传给所述成像终端。
作为一种优选的技术方案，其特征在于，所述成像终端包括第一成像区、第二成像区；所述第一成像区用于操作指示，所述第二成像区用于患者手臂和手指的虚拟化成像，包括静息态和动态，其中所述第二成像区其虚拟成像模型结合所述摄像头采集的数据构建模型。
本发明优点在于：
1、本发明可以实现温度觉的梯度化训练，较于传统的冷觉和热觉两极温度训练，本发明引入具有梯度变化的各阶段温度值，可手动控制按顺序或无序的温度梯度变化下的感觉训练。
2、本发明可以实现浅感觉的单一或协同训练，其同时包含冷热温度的梯度变化训练、气压的变化训练、箱体内漂浮的填充物的轻触觉训练，通过控制变量如控制温度、控制进风量或控制填充物的量及有无，可以进行上肢前臂浅感觉(温度觉、压力觉、轻触觉)的单一或协同训练。
3、本发明可以实现运动想象疗法的可视化训练：所述成像终端分为第一成像区、第二成像区，第一成像区为手臂和手指的示范运动和训练指令语(如腕的伸展和屈曲、掌指的屈曲和伸展、指关节的屈曲和伸直、两指对捏、拇指侧捏等活动)，引导患者完成示范动作。第二成像区为患者手臂虚拟成像展示，利用基于运动想象时脑电α(8-12HZ)波和β(13-30HZ)波趋向低频率和去同步化的原理，患者头戴脑电波监测头环，先取患者安静睁眼坐位下的脑电信号，获得基线值；当患者能集中注意力想象执行示范运动时，头环将实时监测到患者的脑电波经传感设备的预处理和特征识别过滤出重复震荡的α和β波信号，再传递到成像终端，将数据转化为控制第二成像区中虚拟手臂与手指运动的指令，由于现有算法准确率还未达到90％，因此设定了虚拟手臂运动指令的阈值来减少对现有算法准确率的依赖，当数据达到设定的阈值时，显示出与第一成像区示范运动相同的动作，为患者提供视觉反馈，实现运动想象的可视化训练，提高患者运动想象的能力。
4、本发明可以实现感觉运动统合康复训练，基于感觉输入刺激的前提基础，可结合运动想象疗法进行上肢的运动控制训练，形成感觉运动(输入-输出)训练的神经环路，激活体感区、运动辅助前区、主要运动区、初级次级运动感觉皮层和顶额镜像神经元系统，提高中枢神经可塑性。
附图说明
附图1是本发明一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置立体示意图。
附图2是本发明一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置所述箱体剖面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
1.箱体 2.控温设备3.控制装置
4.监控设备5.运动想象可视化终端11.箱盖
12.通气孔 13.承托部 14.填充物
15.手臂插入口 31.显示模块 32.控制按钮
41.摄像头 42.光照装置 51.成像终端
52.监测终端 111.玻璃隔层131.承托杆
132.承托环133.传动杆134.传动旋钮
151.囊袋511.第一成像区512.第二成像区
21.风口 22.导风板
实施例1
请参看附图1、附图2；附图1是本发明一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置立体示意图；附图2是本发明一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置所述箱体剖面示意图。
一种上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置，包括箱体1、控温设备2、控制装置3、监控设备4、运动想象可视化终端5；
箱体1包括箱盖11、通气孔12、承托部13；箱盖11设于箱体1上端，其中，箱盖11与箱体1之间还设有玻璃隔层111，玻璃隔层111与箱体1可拆卸相连，且相合的部位设有密封垫，打开箱盖11即可以观察箱体1内部，打开玻璃隔层111即可以更换箱体1内部的填充物14；所述箱体1其侧壁可设置玻璃等透明材料制成的观察窗，利于观察箱内动态，对应的，其外层亦可设置可拆卸式的遮挡物，如盖板、帘布等，利于后续对运动想象能力的训练，同样的也可选择使用帘布完整的罩住箱体1各观察窗；箱体1的一侧设有手臂插入口15，手臂插入口15上连有囊袋151，囊袋151上带有弹性松紧口；使患者通过手臂插入口15上的囊袋151伸入后，其上的弹性松紧口与患者手臂紧贴，保证密封性；若干通气孔12设于箱体1上端，可配置相应的导流板，促进空气的循环交换流动；
承托部13设于箱体1内部，用于承托患者手臂，包括承托杆131、承托环132、传动杆133；承托环132为半圆环结构，内表面设有柔软内衬，使患者使用时更加舒适，其与承托杆131固定相连，其中心与手臂插入口15其中心相对，承托杆131其底部与传动杆133活动相连，传动杆133一端设有传动旋钮134，其设于箱体1外侧，处于手臂插入口15下方，传动杆133采用螺纹传动，通过传动旋钮134的旋转，带动承托杆131沿箱体1底部的导轨进行滑动，适用于长度不同的手臂；
控温设备2设于所述箱体1下方，利用压缩机进行制冷制热控温，用于向所述箱体1内提供冷热气流；其应包括压缩机、冷凝器、蒸发器、四通阀、单向阀毛细管组件、鼓风机等，其中，压缩机、冷凝器、蒸发器、四通阀、单向阀毛细管组件可以形成制冷、制热循环，并利用鼓风机将冷热空气通过风口21持续送进箱体1内，并吹动训练用的填充物14向上飘起与病人手臂接触，从而对病人进行手臂轻触觉(浅感觉)康复训练，其控温功能与空调原理一致，其中，风口为格栅或铁丝网等小孔集合式开口，防止填充物落入下层结构，其上还可设置导风板22，用来引导风向；
监控设备4设于箱体1内部，包括摄像头41、压力传感器、温度传感器、光照装置42；
光照装置42为箱体1内部提供照明，可以为LED灯等照明设备，其布置的方位可以为箱体1内任意位置，任意组，旨在训练过程中，为观察提供良好的观测条件，特别是在运动想象训练中，当箱体1被遮盖时，为摄像头41提供监控环境；
摄像头41用于监控箱体1内部，用于采集患者手臂成像数据，其可有若干个，设于患者手臂两侧，相对布置，便于全方位监视；摄像头14可将采集的患者手臂的原始图像数据传入成像终端51，以患者手臂为原型生成与患者手臂一致的虚拟数据，进而用于体现脑电波的可视化，使患者在进行运动想象训练时注意力更加集中，避免被纯虚拟化的手臂分散注意力，增加患者的代入感，保证运动想象训练的高效性；
压力传感器用于感应箱体1内部环境压力，温度传感器用于监控箱体1内部温度；其为现有技术；
所述控制装置3包括显示模块31、电源模块、控制按钮32、中央处理模块；所述电源模块用于为各用电元件提供电源，可由蓄电池供电，该蓄电池可以进行充放电，电源模块还可以直接接入外部电源直接供电；
所述显示模块31包括布置在箱体1外侧的显示屏，用于显示相应数据参数，如实时温度值、实时压力值以及预设压力值、预设温度值等，预设压力值、预设温度值为可通过控制按钮32设定的目标值，其中，预设温度值采用梯度温差设定，其目标温度为17℃、23℃、28℃、33℃、38℃、43℃等多组数值，其梯度设定可以针对轻重不同程度的感觉障碍患者，提高温度感觉(浅感觉)训练效果，使患者在知晓温度的变化的情况下，促使其仔细体验温度变化的感觉，增大温度觉的训练功效；加压状态下(小于25PSI)可以对各个指关节和腕关节的压力感受器施加压力，提高本体感觉(深感觉)，改善深感觉训练效果；
控制按钮32用于上述相应参数的设定，包括电源开关、光照装置42的开关控制等；中央处理模块用于数据的运算处理，接收处理压力传感器、温度传感器数据并将其传递给显示模块31用于显示，接收控制按钮32的控制信号，控制控温设备2的运转；
运动想象可视化终端5包括成像终端51、监测终端52；
所述监测终端52为脑电波检测设备，其可佩戴于患者头部，用于实时监测患者脑电波，并对原始数据进行3-25Hz带通滤波、特征提取和分类计算后得到的数据，其为现有算法技术，再将数据传输给所述成像终端51，其中，传输方式可以为导线即数据线连接传输，也可为无线传输，如网络共享、蓝牙共享等；
所述成像终端51用于处理显示相关数据、虚拟成像；包括第一成像区511、第二成像区512；第一成像区511处于显示屏左侧，其上可显示虚拟化的操作指令，如显示虚拟化手臂，并展示范运动和训练指令语，用于引导患者完成示范动作；第二成像区512处于显示屏右侧，其上显示有患者手臂的虚拟成像，通过箱体1内置的摄像头41扫描箱体1内患者的手臂，并通过导线或共享网络或蓝牙传输的方式上传到成像终端51，显示于显示屏右侧，其中该第二成像区512显示的患者虚拟手臂及手指的形态：静息态和运动态则由监测终端52监测的信号决定；成像终端可使用独立的电源提供方式，也可与箱体共用同一个电源。
本发明的使用方式：
温度觉的梯度化训练：
较于传统的冷觉和热觉两极温度训练，本训练样机引入具有一定梯度变化的各阶段温度值(17℃、23℃、28℃、33℃、38℃、43℃)，可手动控制按顺序或无序的温度梯度变化下的感觉训练；使用时，患者将手臂伸入手臂插入口15以及穿过其上囊袋151的松紧口，调整囊袋151至一舒适的位置，并调整旋转传动旋钮134，以调整承托环132的位置，使患者小臂置于承托环132上，打开电源开关，控温设备2通电，通过控制按钮32控制箱体1内的温度变化，即按一次“上升”按钮，温度目标值上升一个梯度；按一次“下降”按钮，温度目标值下降一个梯度；其温度上限43℃，下限17℃；箱体1内还设有压力传感器、显示实时压力值，可设定正常压力环境训练与加压环境训练，其压力目标值应小于25PSI；
浅感觉的单一或协同训练：
当控温设备2其鼓风机工作时，将箱体1底部的填充物14吹浮在箱体1中，则箱体1内漂浮的柔软填充物14如圆形纸片、羽毛、PU软管小颗粒等，可以进行上肢前臂轻触觉训练，其也可同时进行温度的梯度化训练包括不同压力下的训练，以实现协同训练；
基于脑-机接口的运动想象治疗：
遮蔽箱体1上各观察窗口，成像终端51其第一成像区511播放虚拟化手臂手指运动的视频，可呈现手指柱状抓握、球形抓握、对指、侧捏、手指外展内收，手腕掌屈背伸等运动状态，同时播放引导语；第一成像区511为箱体1内摄像头41扫描下的手臂，且可呈现两种虚拟状态：静息态与运动态，其中，其虚拟状态受监测终端52监测的脑电波控制，当患者按引导语和视频，集中注意力想象自己手臂做同样的运动时，脑电α(8-12HZ)波和β(13-30HZ)波绝对功率会去同步化和下降，监测终端52采集到这两种脑电波的变化并过滤出这两种波，经傅里叶转换成可分析的数据，通过蓝牙、共享网络或导线传输到成像终端51，当数据呈现上述去同步化且低频率时，成像终端51执行虚拟手指运动的指令，即第二成像区512呈现同步运动态即第一成像区511显示的患者手臂呈现虚拟手指运动；反之，当患者注意力不集中、无法运动想象等情况发生时，则呈静息态静止不动，为患者提供相应视觉反馈，实现运动想象的可视化训练，提高患者运动想象的能力。
需要说明的是：
本发明所述上肢感觉运动功能障碍协同康复训练装置通过控制装置3可以实现目标温度的设定，并通过控温设备2结合监控设备4的温度传感器对温度进行控制，其较于传统的冷觉和热觉两极温度训练，引入了具有梯度变化的各阶段温度值，可手动控制按顺序或无序的温度梯度变化下的感觉训练，实现温度觉的梯度化训练；本发明可以实现浅感觉的单一或协同训练，本发明同时包含冷热温度的梯度变化训练、气压的变化训练、箱体1内漂浮的填充物14的轻触觉训练，通过控制变量如控制温度、控制进风量或控制填充物14的量及有无，可以进行上肢前臂浅感觉(温度觉、压力觉、轻触觉)的单一或协同训练；本发明所述成像终端51分为第一成像区511、第二成像区512，第一成像区511为手臂的示范运动和训练指令语，引导患者完成示范动作，第二成像区512为患者手臂虚拟成像展示，基于运动想象时脑电α和β波趋向低频率和去同步化的原理，患者头戴脑电波监测头环，当患者能集中注意力想象执行示范运动时，头环将实时监测到患者的脑电波经传感设备过滤出α和β波信号，再传递到成像终端51，将数据转化为控制第二成像区512中虚拟手臂运动的指令，为患者提供视觉反馈，实现运动想象的可视化训练，提高患者运动想象的能力；本发明可以实现感觉运动统合康复训练，基于感觉输入刺激的前提基础，可结合运动想象疗法进行上肢的运动控制训练，形成感觉运动(输入—输出)训练的神经环路，激活体感区、运动辅助前区、主要运动区、初级次级运动感觉皮层和顶额镜像神经元系统，提高中枢神经可塑性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
