一种三维伸抓运动训练装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属医疗装置，涉及一种用于临床的、面向运动功能的脑机接口研宄的三维伸抓运动装置及方法，尤其涉及一种用于脑电信号分析的三维伸抓运动训练装置及方法。
【背景技术】
[0002]在面向运动功能的脑机接口研宄领域，通常需要在人或者动物的大脑植入阵列电极，采集相关运动皮层的脑电信号，通过解码这些脑电信号用于恢复肢体运动功能。目前，很多实验实现了从猴子和大鼠大脑运动皮层记录脑电信号，通过操控脑机接口来实现运动控制。然而，由于采集的脑电神经信号时空分辨率较低、很难将具体某个时段的脑电神经信号发放对应到相应的运动姿势，这样就很难知道解码出来的脑电信号是否能同步用于运动控制。另外，由于临床实验条件苛刻，临床试验时间不宜过长，脑电采集时如果控制不当还容易对病人造成干扰，影响病人的状态，不利于康复治疗。在面向运动功能的脑机接口实验中，需要通过大量运动训练获取准确的脑电信号和对应的运动数据来重建运动的数学模型，在记录的时候，只要同时记下运动的起始时间戳和对应脑电信号发放的时间戳，就能将脑电信号和运动数据同步起来。然而这样的同步并不能细化到每个具体动作上，不能区分整个伸抓动作中准备、伸出、抓握这三个步骤。
[0003]因此，需要一套完整的装置来实现对伸抓动作每个阶段的时间戳记录，并同步到对应的脑电信号，方便对三维伸抓运动的脑电信号进行解码，构建更加准确的运动模型，更加有效的面向运动功能的脑机接口。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了更好地分析临床脑电信号，重建脑机接口运动模型，提供了一种用于脑电信号分析的三维伸抓运动训练装置，包括载物面板、LED指示灯驱动、红外传感器处理电路、微控制器、脑电信号采集仪器、PC机；所述载物面板为正方形轻质木板，载物面板设有五个带有磁性的正方形区域，一个位于正中心，另外四个均匀分布在四个角，每个正方形区域中心开有圆孔，圆孔底部各安装一个可以透过圆孔发射红外线的红外传感器，每个正方形上方安装有小型LED指示灯；所述红外传感器处理电路连接载物面板上5个传感器，设有传感器供电接口、传感器信号放大整形电路，并将输出信号连接到微控制器；所述LED指示灯驱动连接载物面板上的5个LED指示灯，使用三极管进行电流放大，并与微控制器上的1 口连接；所述微控制器通过1 口连接LED指示灯驱动、红外传感器，通过串口转USB模块连接PC机；所述脑电信号采集仪器输入端通过阵列电极连接临床病人脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接PC机；所述PC机包括主机和显示器，与微控制器和脑电信号采集仪器分别电连接。
[0005]微控制器还包括:用于给微控制器核心供电的电源单元，用于与PC机和微控制器双向通讯的通讯单元，用于采集红外传感器电平触发信号，并传送给微控制器的数据采集单元，由微控制器控制的用于驱动LED指示灯的输出控制单元。
[0006]PC机还包括:PC机桌面主控制程序单元；用于选择临床病人所要进行的抓握运动训练模式并传递给微控制器的模式选择单元；用于设置训练参数并传递给主控制程序的参数设置单元；用于接收微控制器发送的数据并传送给主控制程序的数据接收单元；由主控制程序控制的用于人机交互与数据显示的界面单元；由主控制程序控制的用于临床病人运动状态判断的运动状态判断单元；由主控制程序控制的向微控制器发送指示灯控制命令的数据发送单元；用于记录脑电信号与临床病人三维伸抓运动数据的文件记录单元。
[0007]本发明的另一个目的是提供所述装置在进行三维伸抓运动训练中的应用，包括:用于在所述PC机上选择伸抓运动训练模式的模式选择步骤；用于在所述PC机上设置训练参数的参数设置步骤；用于在所述PC机上发送控制命令的控制步骤；由微控制器控制的数据采集与发送步骤；脑电信号采集仪器采集脑电信号的采集步骤；用于记录脑电信号与临床病人伸抓运动数据的文件记录步骤。
[0008]本发明装置实现了自动化实时捕获伸抓动作时间戳、采集三维伸抓运动数据，结合脑电信号采集仪器，就能方便地进行大脑神经信号和运动数据的同步，完成三维伸抓运动的脑电信号解码。相比现有运动训练装置(如公开号CN1843317、CN103142383A公开的发明装置)，本发明装置设计合理，结构简单，使用方便，利于临床病人掌握应用，尤其适合上肢瘫痪病人通过脑机接口平台做三维伸抓运动康复训练。
【附图说明】
[0009]图1为本发明装置结构示意图。
[0010]图2为PC机程序结构示意图。
[0011]图3为微控制器一种实施方法示意图。
[0012]图4为实验流程图。
[0013]图5为LED驱动电路图。
[0014]图6为红外传感器处理电路图。
[0015]图7为微控制器最小系统电路图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例和附图对本发明的具体结构和工作过程进行描述。
[0017]实施例1
参见图1，本发明用于临床脑电信号分析的三维伸抓运动训练装置包括:载物面板1、LED指示灯驱动2、红外传感器处理电路3、微控制器4、脑电信号采集仪器5、PC机6，载物面板I为正方形轻质木板，使用时倾斜45度放置在临床病人面前，载物面板I设有五个带有磁性的正方形区域，一个位于正中心，另外四个均匀分布在四个角，每个正方形区域中心开有圆孔，圆孔底部各安装一个可以透过圆孔发射红外线的红外传感器(图中未示)，每个正方形上方安装有小型LED指示灯；所述红外传感器处理电路3连接载物面板I上5个传感器，设有传感器供电接口、传感器信号放大整形电路，并将输出信号连接到微控制器4;所述LED指示灯驱动2连接载物面板上的5个LED指示灯，使用三极管进行电流放大，并与微控制器4上的1 口连接；所述微控制器4通过1 口连接LED指示灯驱动2、红外传感器，通过串口转USB模块连接PC机6，微控制器4和脑电信号采集仪器5分别电连接PC机6。PC机6包括主机和显不器。
[0018]脑电信号采集仪器5输入端通过阵列电极连接临床病人脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接PC机。
[0019]实施例2
使用时，将载物面板I倾斜45度放置于临床病人面前，按照图1所示的正方形区域，在圆孔底部位置安装好5个红外传感器，并连接到红外传感器处理电路3，每个正方形区域上方安装好LED指示灯，并连接到LED指示灯驱动2，微控制器3通过1 口连接到LED驱动2和红外传感器处理电路3，并通过串口转USB电路连接PC机6，同时脑电信号采集仪器5输入端通过阵列电极连接病人脑部皮层，输出信号端通过光纤连接PC机6。实验训练时，临床病人手握一个可吸附在载物面板正方形区域的物体，该物体表面大小与正方形区域相同，并由特殊材料制作而成，具有一定吸附能力。实验开始的时候，病人将物体放在中间的正方形区域，当中间的红色指示灯变亮时，提示准备就绪。当四个角的某个正方形区域的绿色指示灯变亮时，表示此时病人可以将物体从中间抓取出来，移动至该正方形区域，这个过程中，中间正方形区域背面的红外传感器能检测到物体离开的时刻，并产生触发信号，传递给微控制器4，同时红色指示灯熄灭。绿色指示灯变亮的另一个正方形区域背面的红外传感器检测到物体放入，也产生一个触发信号，传递给微控制器4，同时绿色指示灯熄灭。这样就准确记录了这个伸抓动作的起始时刻。
[0020]PC机6包括主机和显不器，作为本发明PC机的一种实施方式，参见图2，为PC机程序结构示意图，由主程