经颅交流电刺激的虚拟现实辅助下的下肢康复系统

本发明总体地涉及人工智能医学领域，具体地涉及基于人工智能的本体感知觉障碍评估和基于虚拟现实的脑卒中康复技术。

背景技术：

1、中国每年大量脑卒中患者，约有80%的脑卒中幸存者存在不同程度的运动功能障碍。

2、本体感知觉是形成身体感觉和运动计划的必要条件和重要预测因素。脑卒中后本体感知觉缺陷的患病率高达54-64%。本体感知觉与人体运动、平衡和协调的正确反馈密切相关，在脑卒中后运动障碍的治疗和康复中，应该更加注重本体感觉的评估和治疗，以提高运动康复的效果。本体感觉评价虽然是脑卒中患者康复管理中的重要评价项目，与运动功能的恢复直接相关。但是，传统的康复治疗方法包括基于本体感觉神经肌肉促进疗法等,往往缺乏有效的本体感知觉评估和量化手段，缺乏对本体感觉反馈转化为动态身体知觉的机制。成功的运动功能康复并不仅仅是通过重复运动疗法就能够实现的，它还需要有效的感觉运动整合，特别是本体感知觉的重新融入。

3、近些年，虚拟现实技术成为康复医学领域研究的重点。采用虚拟现实技术可实时反馈受试者不同运动状态的下肢位置、速度和方向等信息，帮助受试者感知其下肢运动状态。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种综合客观的本体感知觉障碍评估技术，运动模型构建技术和康复训练技术。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种多模本体感知觉重塑系统，包括：传感检测部分，包括足底压力感受器、髋膝踝关节惯性传感器、下肢肌肉肌电传感器，同步、动态实时地采集多模生理数据，包括足底压力感受器数据、髋膝踝关节惯性传感器数据、下肢肌肉肌电图信号，从而对肌肉运动过程中肌肉的生物力学-代谢环境-传导信息多维度信号进行同步检测；感知觉评估模块，基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况。

3、可选地，基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况包括：对表面肌电信号进行时域、频域的分解，得到运动单元动作电位序列，分析肌肉控制的肌肉运动单元信息；基于关节角度和压力信号分析肌肉收缩动态成像。

4、可选地，感知觉评估模块基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况包括：采用正常人的不同运动的多模生理信号数据训练基线模型；基于基线模型，通过迁移学习得到表征模型，该表征模型进行本体感知觉障碍患者的多模信号共性表征；以实时检测的多模生理数据为测试任务，利用表征模型，采用样本-特征联合优化方法实现对本体感知觉损伤的评估。

5、可选地，采用正常人的不同运动的多模生理信号数据训练基线模型包括：采用无监督的基于lstm的自编码记忆网络lstm-ae-m作为基线模型来进行运动本体感知觉共性特征提取；利用高斯混合模型检测处在特征空间里的异常病例数据；从样本空间中去除异常病例数据（野点），利用去除了异常病例数据后的样本数据集合，基于重构误差、正则化、预测误差项和非线性预测项，构造联合的目标函数来训练所述基线模型。

6、可选地，感知觉评估模块基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况包括：基于被测者多模生理数据相比于健康者的多模生理数据的差异程度，对本体感知觉损伤情况进行打分。

7、可选地，根据被测者的本体感知觉损伤情况评分来自适应调整传感检测的频率。

8、可选地，下肢肌肉肌电图信号包括下肢不同运动状态下的股内侧肌、股外侧肌、股直肌、股二头肌、臀大肌、胫骨前肌和腓肠肌的肌肉表面肌电信号；髋膝踝关节惯性传感器数据包括双侧髋、膝、踝关节的惯性传感器信号；双足底压力信号包括采集如下足底区域的压力信号：１区拇趾、２区第２-５脚趾、３区第1跖骨、４区第２-４跖骨、５区第５跖骨、６区中足部、７区足跟内侧和８区足跟外侧；１区和２区为足趾区，３、４、５区为前足，６区为中足，７区和８区为后足。

9、根据本发明的另一个方面，提供了一种基于多模本体感知觉客观评估的下肢运动模型构建系统，包括：传感检测部分，同步、动态实时地采集多模生理数据，包括足底压力感受器数据、髋膝踝关节惯性传感器数据、下肢肌肉肌电图信号，从而对肌肉运动过程肌肉的生物力学-代谢环境-传导信息多维度信号进行同步检测；本体感知觉评估模块，基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况；下肢运动模型构建部分，评估本体感知觉损伤情况，利用采集的步态周期中下肢的本体感觉的电生理信号、肌肉收缩机械信号、足底压力变化信号，融合运动参数、运动模式、位置，构建由所述多模生理数据驱动的下肢运动模型，实现肌肉运动过程从宏观到介观尺度的融合。

10、可选地，构建由所述多模生理数据驱动的下肢运动模型包括：通过d − h分析法和拉格朗日公式建模法建立人体下肢运动的动力学模型；根据所述下肢运动的动力学模型，建立数据驱动的基于加权混合融合变形的动态模型；用机器学习方法，学习所述动态模型的参数。

11、可选地，构建由所述多模生理数据驱动的下肢运动模型包括从运动单位角度构建下肢运动模型，运动单位是由运动神经元和连在一起的肌纤维组成的。

12、可选地，构建由所述多模生理数据驱动的下肢运动模型包括：对穿戴在脚跟处的惯性传感器加速度信号进行双重积分计算步长。

13、根据本发明的另一个方面，提供了一种经颅交流电刺激的虚拟现实辅助下的下肢康复系统，包括：传感检测部分，包括足底压力感受器、髋膝踝关节惯性传感器、下肢肌肉肌电传感器，同步、动态实时地采集多模生理数据，包括足底压力感受器数据、髋膝踝关节惯性传感器数据、下肢肌肉肌电图信号，从而对肌肉运动过程肌肉的生物力学-代谢环境-传导信息多维度信号进行同步检测；感知觉评估模块，基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况；下肢运动模型构建模块，基于评估的本体感知觉损伤情况，利用采集的步态周期中下肢的本体感觉的电生理信号、肌肉收缩机械信号、足底压力变化信号，融合运动参数、运动模式、位置，构建由所述多模生理数据驱动的下肢运动模型，实现肌肉运动过程从宏观到介观尺度的融合；运动控制模块，基于评估的本体感知觉损伤情况，制定康复策略，确定外部经颅交流电刺激的形式、大小和施加方式，施加包括经颅交流电刺激的控制；以及虚拟现实场景构建模块，用于显示虚拟显示场景。

14、可选地，虚拟现实场景构建模块：建立三维虚拟环境，包括多种下肢行走的难度场景；根据患者本体感知觉的情况自适应设置不同运动模式和难度级别；其中在虚拟现实环境中受试者能够实时观察其下肢运动状态，并获得与之相关联的生理信号反馈，包括在屏幕上显示足底压力分布图、肌肉活化程度，以辅助受试者感知其下肢的位置、速度和方向。

15、可选地，下肢康复系统还包括头盔，经由头盔对患者施加交流电经颅刺激。

16、可选地，下肢运动模型针对不同难度场景，包括平面行走、坡道上行走、楼梯爬升；动作模式包括踏步、转身。

17、根据本发明再一方面，提供了一种经颅交流电刺激的虚拟现实辅助下的肢体康复系统，包括：传感检测部分，包括压力感受器、关节惯性传感器、肌肉肌电传感器，同步、动态实时地采集多模生理数据，包括压力感受器数据、关节惯性传感器数据、肌肉肌电图信号，从而对肌肉运动过程肌肉的生物力学-代谢环境-传导信息多维度信号进行同步检测；感知觉评估模块，基于多模生理数据，评估本体感知觉损伤情况；特定肢体的运动模型构建模块，基于评估的本体感知觉损伤情况，利用采集的步态周期中特定肢体的本体感觉的电生理信号、肌肉收缩机械信号、压力变化信号，融合运动参数、运动模式、位置，构建由所述多模生理数据驱动的运动模型，实现肌肉运动过程从宏观到介观尺度的融合；运动控制模块，基于评估的本体感知觉损伤情况，制定康复策略，确定外部经颅交流电刺激的形式、大小和施加方式，控制施加包括经颅交流电刺激的控制；虚拟现实场景构建模块，用于显示虚拟显示场景, 建立三维虚拟环境，包括多种下肢行走的难度场景；根据患者本体感知觉的情况自适应设置不同运动模式和难度级别；其中在虚拟现实环境中受试者能够实时观察其肢体运动状态，并获得与之相关联的生理信号反馈，包括在屏幕上显示压力分布图、肌肉活化程度，以辅助受试者感知其肢体的位置、速度和方向。

18、本发明实施例的康复技术基于运动感知觉形成反馈的神经机制，采集多模生理数据，包括足底压力感受器数据、髋膝踝关节数据、下肢肌肉肌电图等，构建多模本体感知觉生理信息平台、评估本体感知觉受损情况、编码出本体感知觉激活的神经肌肉动力学模型；开发虚拟现实辅助的下肢本体感知觉康复训练系统，增强患者感知运动耦合并促进神经肌肉通路重塑，从而更有效地帮助下肢运动障碍患者恢复运动功能。

19、利用本发明实施例的肢体康复系统，提供了至少下述优势：

20、（1）基于多模生理信息同步采集的本体感知觉损伤情况评估，这是现有技术所缺少的；

21、（2）基于评估的本体感知觉损伤情况，利用采集的步态周期中下肢的本体感觉的电生理信号、肌肉收缩机械信号、足底压力变化信号，融合运动参数、运动模式、位置，构建由所述多模生理数据驱动的下肢运动模型，实现肌肉运动过程从宏观到介观尺度的融合，模拟不同的运动策略；

22、（3）通过视觉观察、多感官刺激如力反馈和电刺激等呈现方式使患者可以在虚拟现实环境中模拟体验在真实世界中的本体感觉，从而为本体感知觉障碍患者提供vr辅助的个性化和多样化的康复训练模式。