一种脑机接口康复训练系统及方法与流程

本发明涉及脑机接口领域，具体而言，涉及一种脑机接口康复训练系统及方法。

背景技术：

脑机接口(braincomputerinterface，bci)可以直接把大脑的活动信号转化为指令或控制信号，并通过设备作用于人体的特定肢体。为因残疾而丧失与外界沟通能力的人提供了与外界进行交流的可能性，现有的脑机接口系统的模式较为单一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种脑机接口康复训练系统及方法，以改善脑机接口模式单一的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种脑机接口康复训练系统，所述系统包括主机、脑电控制器和刺激单元，所述主机包括电脑集成器和生物反馈康复仪，所述电脑集成器被配置为输入信息、输出信息及显示信息，所述生物反馈康复仪包括生物反馈康复仪主机和信号线，所述脑电控制器包括脑电采集器和通讯单元，所述脑电采集器通过所述通讯单元与所述电脑集成器通讯连接，所述刺激单元与所述生物反馈康复仪电连接；

所述脑电采集器被配置为采集用户大脑神经元电讯号，并通过所述通讯单元将所述大脑神经元电讯号发送至所述电脑集成器；

所述电脑集成器被配置为根据所述大脑神经元电讯号读取所述用户的意识，解码患者的运动意念，驱动所述生物反馈康复仪通过所述刺激单元刺激用户的瘫痪肢体神经。

进一步地，所述根据所述大脑神经元电讯号读取所述用户的意识，解码患者的运动意念，驱动所述生物反馈康复仪通过所述刺激单元刺激用户瘫痪肢体神经包括：

对脑神经元电讯号进行预处理；

对特征进行提取和识别；

根据识别的特征分析用户的运动意识；

根据分析出的用户的运动意识，产生相应的驱动信号，驱动所述刺激单元刺激用户对应的瘫痪肢体的神经。

进一步地，所述对特征进行提取和识别包括：

对脑神经元电讯号做傅里叶变换，得到频谱信息；

所述频谱信息中最低振荡频率的峰值被识别为特征值。

进一步地，所述根据识别的特征分析用户的运动意识包括：

当所述特征值的大小在第一区间时，判断用户处于引导模式；

当所述特征值的大小在第二区间时，判断用户处于自由模式；

当所述特征值的大小在第三区间时，判断用户处于空闲模式。

进一步地，在所述引导模式下，用户的脑神经元电讯号为受到所述电脑集成器显示的信息所产生，根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号；在自由模式下，用户的脑神经元电讯号为用户大脑自由生成，根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号。

进一步地，在所述引导模式下，所述显示信息为vr动画，用户在虚拟环境中，通过语言、动作等引导用户进行运动想象，以进行功能性交互训练。

进一步地，所述对脑神经元电讯号进行预处理包括：对所述脑神经元电讯号进行去噪和滤波。

进一步地，所述刺激单元包括电刺激输出线和电极片，所述电刺激输出线与所述生物反馈康复仪电连接，所述电极片与所述电刺激输出线连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种脑机接口康复训练方法，应用于上述脑机接口康复训练系统，该方法包括：

用户将所述脑电采集器紧贴头部；

所述电脑集成器为用户显示引导信息；

所述脑电采集器采集用户大脑神经元电讯号，并通过通讯单元将所述大脑神经元电讯号发送至所述电脑集成器；

所述电脑集成器根据所述大脑神经元电讯号读取所述用户的意识，解码患者的运动意念，驱动所述生物反馈康复仪通过所述刺激单元刺激用户的瘫痪肢体神经。

进一步地，所述电脑集成器对脑神经元电讯号进行去噪和滤波；对脑神经元电讯号做傅里叶变换，得到频谱信息；频谱信息中最低振荡频率的峰值被识别为特征值；当所述特征值的大小在第一区间时，判断用户处于引导模式；当所述特征值的大小在第二区间时，判断用户处于自由模式；当所述特征值的大小在第三区间时，判断用户处于空闲模式；在所述引导模式下，用户的脑神经元电讯号为受到所述电脑集成器显示的信息所产生，根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号；在自由模式下，用户的脑神经元电讯号为用户大脑自由生成，根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供的脑机接口康复训练系统及方法，通过电脑集成器的显示信息对用户进行引导，脑电采集器采集用户大脑神经元电讯号，电脑集成器根据大脑神经元电讯号读取用户的意识，解码患者的运动意念，驱动生物反馈康复仪通过刺激单元刺激用户的瘫痪肢体神经，从而达到康复训练的目的，进一步地，本发明提供多种训练模式，以适应用户的实际情况，训练效果更好，实用性强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的脑机接口康复训练系统的架构示意图。

图2是本发明实施例提供的脑电采集器的使用示例图。

图3是本发明实施例提供的电极片的使用示例图。

图4是本发明实施例提供的脑机接口康复训练方法的流程图。

图标：100-脑机接口康复训练系统；10-主机；110-电脑集成器；120-生物反馈康复仪；121-生物反馈康复仪主机；122-信号线；20-脑电控制器；210-通讯单元；220-脑电采集器；30-刺激单元；310-电刺激输出线；320-电极片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，是本发明较佳实施例提供的脑机接口康复训练系统100的架构示意图，该系统包括主机10、脑电控制器20和刺激单元30。

主机10包括电脑集成器110和生物反馈康复仪120，所述电脑集成器110被配置为输入信息、输出信息及显示信息，包括处理器、适配器、电源线、键盘、鼠标、显示器、扬声器、打印机、信号线等零部件。生物反馈康复仪120是起治疗作用的主要器件，包括生物反馈康复仪主机121和信号线122。

脑电控制器20包括脑电采集器220和通讯单元210，脑电采集器220通过通讯单元210与电脑集成器110通讯连接，刺激单元30与生物反馈康复仪120电连接。本实施例提供的脑电采集器220可以是通用的脑电采集器，例如脑电帽，通讯单元210可以是任意具备通讯功能的元器件，如usb无线通讯器。刺激单元30用于输出刺激电流作用于人体，包括电刺激输出线310和电极片320，电刺激输出线310与生物反馈康复仪120电连接，电极片320与电刺激输出线310连接。电刺激输出线310分为正极、负极和地线；电刺激输出线310的线头上有标识，红色为正极、绿色为负极、黑色为地线。电极片320为不干涸导电凝胶，具有优秀的导电性能，使用方便、舒适，使用后体表无残胶。形状多样，方形、蝶形、圆形均可。

进行康复训练时，用户首先需要佩戴脑电采集器220，脑电采集器220的电极安装完毕后，用双手将脑电采集器220从用户头的顶部向下滑动，如图2所示，调整好各电极位置，两侧的橡胶电极应放在双耳乳突附近。前额两个电极大约在发际线附近，或者距离眼球3个手指的宽度。

接着用户需要根据肌肉大小选择合适的电极片320进行安放，对大肌肉和肌群，可用两个等大的大号电极片，放在肌肉两端或肌腹两侧。对小肌肉和单个肌肉，用一个小电极片置于运动点上(失神经支配肌肉没有运动点，则放在获得最佳反应的点上)，另一个较大的电极片置于远端或肌腱上。例如，请参考图3，对于抬肩运动，主要刺激三角肌、斜方肌。电极片位置粘贴：1(地)2(正或负)3(负或正)。电极片的正极贴和负极贴可根据实际情况适当调节位置到效果最佳为好。

对于抬前臂运动，主要刺激肱二头肌、肱三头肌。电极片位置粘贴：4(地)5(正或负)6(负或正)。电极片的正极贴和负极贴可根据实际情况适当调节位置到效果最佳为好。

对于屈腕运动，主要刺激桡侧腕屈肌；尺侧腕屈肌。电极片位置粘贴：7(地)8(正或负)9(负或正)。电极片的正极贴和负极贴可根据实际情况适当调节位置到效果最佳为好。

对于伸腕运动，主要刺激桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌。电极片位置粘贴：7(地)17(正或负)18(负或正)。电极片的正极贴和负极贴可根据实际情况适当调节位置到效果最佳为好。

对于足内翻运动，主要刺激腓骨长、短二肌。电极片位置粘贴：10(地)13(正或负)14(负或正)。

对于足外翻运动，主要刺激胫骨前肌。电极片位置粘贴：10(地)11(正或负)12(负或正)。

对于踝关节伸(勾脚尖)，主要刺激胫骨前肌、长伸肌和趾长伸肌。电极片位置粘贴：19(地)20(正或负)21(负或正)。

电极片的正极贴和负极贴可根据实际情况适当调节位置到效果最佳为好。

对于伸膝关节(抬小腿)，主要刺激股四头肌。电极片位置粘贴：10(地)15(正或负)16(负或正)。电极片的正极贴和负极贴可根据实际情况适当调节位置到效果最佳为好。

准备工作完毕后，电脑集成器110通过屏幕为用户显示引导信息，引导信息为vr动画，用户在虚拟环境中，通过语言、动作等引导用户进行运动想象，以进行功能性交互训练。用户在引导信息的刺激下，大脑产生大脑神经元电讯号。

脑电采集器220采集用户大脑神经元电讯号，并通过通讯单元210将所述大脑神经元电讯号发送至电脑集成器110。

电脑集成器110接收到大脑神经元电讯号后，由于电讯号具有较大干扰，需要进行去噪，并去除时间序列中的直流成分以及5-45hz的带通滤波。

对预处理后的大脑神经元电讯号进行傅里叶变换，得到频谱信息，频谱信息中最低振荡频率的峰值被识别为特征值。由于用户在进行康复训练时，偶尔大脑产生的神经元信号不是受引导画面的刺激得到，而是运动想象得到，针对不同的情况，需要有不同的刺激反馈。本实施例中通过识别的特征值来判断用户的状态，当特征值的大小在第一区间时，判断用户处于引导模式；当特征值的大小在第二区间时，判断用户处于自由模式；当特征值的大小在第三区间时，判断用户处于空闲模式。

在引导模式下，用户的脑神经元电讯号为受到电脑集成器110显示的信息所产生，在该模式下，电脑集成器110根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号，驱动生物反馈康复仪120通过刺激单元30刺激用户的瘫痪肢体神经。在自由模式下，用户的脑神经元电讯号为用户大脑自由生成，电脑集成器110根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号，驱动生物反馈康复仪120通过刺激单元30刺激用户的瘫痪肢体神经。而在特殊情况下，用户对外界的刺激不产生反映，也没有运动想象，该状态下的用户需要进行休息，不再对其进行刺激。

通过上述过程，即完成一次康复训练，本发明实施例提供的脑机接口康复训练系统100，通过电脑集成器的显示信息对用户进行引导，脑电采集器采集用户大脑神经元电讯号，电脑集成器根据大脑神经元电讯号读取用户的意识，解码患者的运动意念，驱动生物反馈康复仪通过刺激单元刺激用户的瘫痪肢体神经，从而达到康复训练的目的，进一步地，本发明提供多种训练模式，以适应用户的实际情况，训练效果更好，实用性强。

请参照图4，本发明实施例还提供了一种脑机接口康复训练方法，应用于上述脑机接口康复训练系统，该方法包括：

s1：用户将所脑电采集器紧贴头部。

s2：电脑集成器为用户显示引导信息。

s3：脑电采集器采集用户大脑神经元电讯号，并通过通讯单元将大脑神经元电讯号发送至所述电脑集成器。

s4：电脑集成器对脑神经元电讯号进行去噪和滤波。

s5：对脑神经元电讯号做傅里叶变换，得到频谱信息。

s6：频谱信息中最低振荡频率的峰值被识别为特征值。

s7：判断特征值的大小。

当特征值的大小在第一区间时，判断用户处于引导模式；当特征值的大小在第二区间时，判断用户处于自由模式；当特征值的大小在第三区间时，判断用户处于空闲模式。

s8：在所引导模式下，用户的脑神经元电讯号为受到所述电脑集成器显示的信息所产生，根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号。

s9：在自由模式下，用户的脑神经元电讯号为用户大脑自由生成，根据预设的匹配关系，生成对应的驱动信号。

s10：驱动生物反馈康复仪通过刺激单元刺激用户的瘫痪肢体神经。

由于本发明实施例提供的脑机接口康复训练方法应用于上述的系统，在脑机接口康复训练系统100的介绍中，已经说明了工作原理，此处不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。