基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括視覺刺激模塊，視覺刺激模塊的輸出和腦電信號采集模塊的第一輸入連接，腦電信號采集模塊的第二輸入和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸出連接，腦電信號采集模塊的輸出和具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第一輸出和視覺刺激模塊的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第二輸出和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸入連接；實現(xiàn)對運動控制神經(jīng)的主動刺激和對運動感知神經(jīng)的被動刺激，建立一條閉環(huán)的神經(jīng)旁路，促進(jìn)神經(jīng)重組與重建；同時，充分發(fā)揮患者的主觀意愿來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，增強康復(fù)訓(xùn)練的趣味性來調(diào)動患者的積極性。
【專利說明】
基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及腦-機接口與康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于視覺運動誘發(fā)的腦控 下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著老齡化社會的來臨，腦卒中等腦功能障礙疾病將給社會帶來難以承受的沉重 負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是由治療師輔助患者進(jìn)行，治療師的任務(wù)繁重?zé)o法專心的針對每位 患者的病情來制定更加符合患者需要的訓(xùn)練方案?；谶@種情況，國際上開發(fā)了智能康復(fù) 訓(xùn)練機器人，主要輔助有肢體功能障礙的患者完成臨床上要求的康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容，幫助患者 在同一個作業(yè)空間內(nèi)完成患肢各種運動功能的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運動功能得到恢復(fù)和增 強。然而，這種康復(fù)訓(xùn)練以被動訓(xùn)練為主，過程乏味，無法有效實現(xiàn)患者的主動康復(fù)訓(xùn)練。另 外，從神經(jīng)刺激來講，這只是一種單向刺激模式，僅刺激運動感知神經(jīng)，無法滿足中樞神經(jīng) 康復(fù)訓(xùn)練的理想要求。
[0003] 腦-機接口（Brain Computer Interface,BCI)作為一種不依賴人的神經(jīng)肌肉通 道，能夠?qū)崿F(xiàn)大腦和外部設(shè)備直接信息交流的技術(shù)，近十幾年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。該技 術(shù)將通過頭皮電極或顱內(nèi)電極采集的腦電信號，經(jīng)過特征提取，翻譯成控制命令從而控制 相應(yīng)的外部設(shè)備，如腦控假肢、腦控輪椅和腦控虛擬人物或物體等。在此基礎(chǔ)上，人們開始 嘗試將腦-機接口應(yīng)用到康復(fù)領(lǐng)域。近幾年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多基于腦-機接口技術(shù)的康 復(fù)療法，如針對運動想象與功能電刺激相結(jié)合的研究、在傳統(tǒng)康復(fù)治療中增加運動想象任 務(wù)對康復(fù)效果影響的研究，為腦中風(fēng)患者的康復(fù)進(jìn)行了意義重大的科研探索。然而，目前的 運動想象的訓(xùn)練周期長，刺激有限，難以控制，無法有效的將腦-機接口技術(shù)與康復(fù)訓(xùn)練結(jié) 合起來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供基于視覺運動誘發(fā)的腦控 下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)對運動控制神經(jīng)的主動刺激和對運動感知神經(jīng)的被動 刺激，建立一條閉環(huán)的神經(jīng)旁路，促進(jìn)神經(jīng)重組與重建；同時，充分發(fā)揮患者的主觀意愿來 進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，增強康復(fù)訓(xùn)練的趣味性來調(diào)動患者的積極性。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0006] 基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括視覺刺激模塊，視 覺刺激模塊的輸出和腦電信號采集模塊的第一輸入連接，腦電信號采集模塊的第二輸入和 下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸出連接，腦電信號采集模塊的輸出和具有主被動協(xié)同控制模塊的計 算機的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第一輸出和視覺刺激模塊的輸入連 接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第二輸出和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸入連接；
[0007] 所述的視覺刺激模塊包括基于穩(wěn)態(tài)視覺運動誘發(fā)電位(SSMVEP)的腦-機接口刺激 范式、虛擬人物和虛擬訓(xùn)練場景，其中，基于SSMVEP腦-機接口刺激范式采用收縮-擴張的運 動方式，基于SSMVEP腦-機接口刺激范式與虛擬人物相結(jié)合實現(xiàn)對人運動控制神經(jīng)的主動 刺激，并誘發(fā)大腦特定的腦電信號;虛擬訓(xùn)練場景具有升級策略、競爭機制和懲罰機制；
[0008] 所述的腦電信號采集模塊實現(xiàn)對人大腦視覺區(qū)的腦電信號采集；
[0009] 所述的下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊帶動人下肢進(jìn)行往復(fù)式運動，實現(xiàn)對運動感知神經(jīng)的被 動刺激；
[0010] 所述的具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機包括腦電信號處理模塊、下肢康復(fù)訓(xùn)練 設(shè)備控制模塊和虛擬人物控制模塊，腦電信號處理模塊將處理結(jié)果以TCP/IP通信方式傳輸 給下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制模塊，以鍵值的方式傳輸給虛擬人物控制模塊，從而保證下肢康 復(fù)訓(xùn)練設(shè)備模塊給予人的被動刺激和視覺刺激模塊給予人的主動刺激的一致性，實現(xiàn)腦控 主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練。
[0011] 所述的虛擬人物控制模塊實現(xiàn)對虛擬人物控制，使虛擬人物實現(xiàn)與真實人相同的 行走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和站立動作。
[0012] 所述的腦電信號處理模塊采用基于特征頻率相關(guān)顯著度的異步控制算法實現(xiàn)對 腦電信號處理，該算法包括腦電信號預(yù)處理、計算典型相關(guān)系數(shù)和計算特征頻率相關(guān)顯著 度評判指標(biāo)。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0014] (1)選用的基于穩(wěn)態(tài)視覺運動誘發(fā)電位(SSMVEP)的腦-機接口刺激范式具有不易 引起被試者視覺疲勞，刺激強度低，誘發(fā)腦電信號強的優(yōu)點。
[0015] (2)基于鏡像神經(jīng)元理論，將基于穩(wěn)態(tài)視覺運動誘發(fā)電位(SSMVEP)的腦-機接口刺 激范式與虛擬人物行走相結(jié)合，既可以實現(xiàn)對人大腦視覺中樞刺激，又可以實現(xiàn)對人運動 中樞刺激，有助于患者肢體運動功能恢復(fù)。
[0016] (3)康復(fù)訓(xùn)練過程完成由患者的主觀意愿主導(dǎo)，能夠同時實現(xiàn)對患者運動感知神 經(jīng)的被動刺激和運動控制神經(jīng)的主動刺激，建立閉環(huán)的神經(jīng)旁路，有效的促進(jìn)神經(jīng)重組與 再生;同時使得康復(fù)訓(xùn)練過程不再乏味，能夠有效的調(diào)動患者的積極性。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019] 參照圖1，基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括視覺刺激 模塊，視覺刺激模塊的輸出和腦電信號采集模塊的第一輸入連接，腦電信號采集模塊的第 二輸入和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸出連接，腦電信號采集模塊的輸出和具有主被動協(xié)同控制 模塊的計算機的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第一輸出和視覺刺激模塊 的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第二輸出和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸入連 接；
[0020] 所述的視覺刺激模塊包括基于SSMVEP的腦-機接口刺激范式、虛擬人物和虛擬訓(xùn) 練場景，其中，基于SSMVEP的腦-機接口刺激范式包括3個運動翻轉(zhuǎn)頻率依次為8.57Hz、 10Hz、12Hz的刺激目標(biāo);虛擬訓(xùn)練場景為一個虛擬的跑道場景，具有升級策略、競爭機制和 懲罰機制，主要依據(jù)運動再學(xué)習(xí)理論進(jìn)行設(shè)計，包括以下三關(guān):第一關(guān)，主要進(jìn)行被試者的 注意力集中訓(xùn)練，其中有一個虛擬人物在跑道中，同時有一個8.57Hz的基于SSMVEP的腦-機 接口刺激范式在左上方，當(dāng)虛擬人物順利到達(dá)終點才能進(jìn)入第二關(guān)，同時有掌聲鼓勵;第二 關(guān)，在第一關(guān)的基礎(chǔ)上增加了兩個虛擬人物與被試者競爭，同時，第一關(guān)中的虛擬人物的背 上有一個10Hz的基于SSMVEP的腦-機接口刺激范式隨著虛擬人物一同移動;第三關(guān)，在第二 關(guān)的基礎(chǔ)上增加路障和訓(xùn)練路程，當(dāng)虛擬人物到達(dá)路上時會停止，此時路障上方出現(xiàn)12Hz 的基于SSMVEP的腦-機接口刺激范式；
[0021] 所述的腦電信號采集模塊按照國際標(biāo)準(zhǔn)10/20系統(tǒng)，以前額Fpz為地極，左耳耳垂 作為參考，采集被試者01、02、0z三個通道腦電信號，采樣率率設(shè)置為1200Hz;
[0022] 所述的下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊能夠帶動被試者肢體進(jìn)行往復(fù)式行走動作訓(xùn)練，步速和 啟?？煽?，步速范圍〇~80步/分鐘；
[0023] 所述的具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機包括腦電信號處理模塊、下肢康復(fù)訓(xùn)練 設(shè)備控制模塊和虛擬人物控制模塊，腦電信號處理模塊將處理結(jié)果以TCP/IP通信方式傳輸 給下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制模塊，以鍵值的方式傳輸給虛擬人物控制模塊，從而保證下肢康 復(fù)訓(xùn)練設(shè)備模塊的給予人的被動刺激和視覺刺激模塊給予人的主動刺激的一致性，實現(xiàn)腦 控主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練；
[0024] 具體來講，在第一關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練時，只有當(dāng)被試者關(guān)注虛擬訓(xùn)練場景中的基于 SSMVEP的腦-機接口刺激范式并產(chǎn)生腦電誘發(fā)特征時，腦電信號處理模塊發(fā)送控制指令到 下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制模塊和虛擬人物控制模塊，此時，下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備帶動被試者下 肢進(jìn)行往復(fù)式行走訓(xùn)練，虛擬人物開始行走。
[0025]在第二關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練時，被試者可以通過注視虛擬人物背部的基于SSMVEP的腦-機接口刺激范式來腦控虛擬人物和下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備加速來超越另外兩個虛擬人物。 [0026]在第三關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練時，當(dāng)虛擬人物到達(dá)路障時，被試者必須關(guān)注位于路障上方 的基于SSMVEP的腦-機接口刺激范式并大腦產(chǎn)生誘發(fā)才能通行，當(dāng)被試者長時間不關(guān)注場 景時，通過基于特征頻率相關(guān)顯著度的異步控制算法監(jiān)測被試者的場景關(guān)注度，當(dāng)關(guān)注度 降低時，會自動通過所述的下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制模塊控制下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備減速、通過 所述的虛擬人物控制模塊控制虛擬人物減速以示懲罰。
[0027]所述的基于特征頻率相關(guān)顯著度的異步控制算法包括腦電信號預(yù)處理、計算典型 相關(guān)系數(shù)和計算特征頻率相關(guān)顯著度評判指標(biāo)；
[0028]所述的腦電信號預(yù)處理按照預(yù)定的窗長和滑移交疊量截取EEG信號，采用0.1~ 100Hz的巴特沃斯帶通濾波器，去除低頻漂移和高頻雜波，同時設(shè)置50Hz的陷波濾波器，消 除工頻干擾;所述的計算典型相關(guān)系數(shù)通過使用典型相關(guān)分析來計算;所述的計算特征頻 率相關(guān)顯著度評判指標(biāo)如下：
[0030]式中：Ind為特征頻率相關(guān)顯著度，K為特征頻率總個數(shù)，k為特征頻率序號，s為具 有最大典型相關(guān)系數(shù)的刺激單元，f為特征頻率，P為典型相關(guān)系數(shù)。
[0031]該指標(biāo)即具有最大典型相關(guān)系數(shù)的刺激單元s的相關(guān)系數(shù)P(fs)與其他所有刺激 單元相關(guān)系數(shù)平均值的比值，Ind越大表示目標(biāo)反轉(zhuǎn)頻率相關(guān)系數(shù)相對越高，當(dāng)Ind小于某 一閾值T時，可判斷為空閑狀態(tài)，閾值T由受試者工作特征曲線(ROC曲線)選取。
【主權(quán)項】
1. 基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括視覺刺激模塊，其特 征在于:視覺刺激模塊的輸出和腦電信號采集模塊的第一輸入連接，腦電信號采集模塊的 第二輸入和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸出連接，腦電信號采集模塊的輸出和具有主被動協(xié)同控 制模塊的計算機的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第一輸出和視覺刺激模 塊的輸入連接，具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機的第二輸出和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的輸入 連接； 所述的視覺刺激模塊包括基于穩(wěn)態(tài)視覺運動誘發(fā)電位（SSMVEP)的腦-機接口刺激范 式、虛擬人物和虛擬訓(xùn)練場景，其中，基于SSMVEP腦-機接口刺激范式采用收縮-擴張的運動 方式，基于SSMVEP腦-機接口刺激范式與虛擬人物相結(jié)合實現(xiàn)對人運動控制神經(jīng)的主動刺 激，并誘發(fā)大腦特定的腦電信號;虛擬訓(xùn)練場景具有升級策略、競爭機制和懲罰機制； 所述的腦電信號采集模塊實現(xiàn)對人大腦視覺區(qū)的腦電信號采集； 所述的下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊帶動人下肢進(jìn)行往復(fù)式運動，實現(xiàn)對運動感知神經(jīng)的被動刺 激； 所述的具有主被動協(xié)同控制模塊的計算機包括腦電信號處理模塊、下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備 控制模塊和虛擬人物控制模塊，腦電信號處理模塊將處理結(jié)果以TCP/IP通信方式傳輸給下 肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制模塊，以鍵值的方式傳輸給虛擬人物控制模塊，從而保證下肢康復(fù)訓(xùn) 練設(shè)備模塊給予人的被動刺激和視覺刺激模塊給予人的主動刺激的一致性，實現(xiàn)腦控主被 動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其 特征在于:所述的虛擬人物控制模塊實現(xiàn)對虛擬人物控制，使虛擬人物實現(xiàn)與真實人相同 的行走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和站立動作。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺運動誘發(fā)的腦控下肢主被動協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其 特征在于:所述的腦電信號處理模塊采用基于特征頻率相關(guān)顯著度的異步控制算法實現(xiàn)對 腦電信號處理，該算法包括腦電信號預(yù)處理、計算典型相關(guān)系數(shù)和計算特征頻率相關(guān)顯著 度評判指標(biāo)。
【文檔編號】A63B23/00GK105853140SQ201610176832
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】徐光華, 張鑫, 裴維, 謝俊
【申請人】西安交通大學(xué)