一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统的制作方法

本发明属于训练装置技术领域，具体涉及一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统。

背景技术：

目前，对于脑卒中使用者的踝关节的触觉训练通常通过作业训练，增加使用者的本体感觉输入，提高受损神经结构的兴奋或促进新的通路形成从而恢复正常功能。但是传统的训练费时费力，由于是被动训练从而造成使用者在训练过程中参与度较差进而不利于使用者的神经和本体感觉训练。脑机接口技术的发展为使用者通过主动意图去进行触觉反馈训练提供了基础。

卒中使用者的异常步态和触觉反馈的训练十分重要，目前，现有训练费时费力且缺乏针对性，缺少利用使用者的主动意图去实现踝关节触觉反馈和异常步态改善。因此亟需开展基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统，采用震子将振动作用于胫骨前肌提高背屈能力防止脚掌拍地，提高足间隙防止脚趾拖地，采用震子将振动作用于腓肠肌提高跖屈肌肉能力增加推进力，提高步速，同时，振子作用肌肉可以提高使用者的本体感觉。

本发明采用以下技术方案：

一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统，其特征在于，包括：

训练椅，用于使用者训练使用；

使用者界面模块，包括显示屏和主机，能够提供基于稳态视觉诱发的动画供使用者观看；

脑电采集及处理模块，用于对使用者观看动画后产生的脑电信号进行采集、滤波和放大处理，并将处理结果传递到控制反馈模块；

控制反馈模块，根据脑电信号通过单片机控制振动模块的强度和频率，对使用者的小腿肌肉进行振动训练，使用者能够通过主动意图控制训练侧振动的位置。

具体的，脑电采集及处理模块包括放大器、滤波器和脑电帽，显示屏放置于桌面上并通过信号线与主机相连，放大器与滤波器固定于训练椅的背面；脑电帽设置在使用者的头部，脑电帽、滤波器、放大器与主机依次通过信号线相连。

具体的，控制反馈模块包括角度检测模块、震子模块和单片机，单片机固定于训练椅上，与主机连接，角度检测模块布置于使用者踝关节处；震子模块布置于使用者的小腿上，角度检测模块和震子模块分别于单片机连接。

进一步的，角度检测模块包括踝部弹性布料、陀螺仪、方形魔术贴和弹性带；陀螺仪设置在踝部弹性布料上，位于使用者的踝关节处；弹性带的一端与踝部弹性布料的一侧连接，另一端通过方形魔术贴固定于踝部弹性布料的另一侧，陀螺仪与单片机连接。

进一步的，震子模块包括外层弹性布料、后侧震子、长形魔术贴、前侧震子及内层弹性布料；外层弹性布料与内层弹性布料的近膝部位和近踝部位缝制在一起；后侧震子与前侧震子分别等间距设置在内层弹性布料与外层弹性布料之间，长形魔术贴缝于外侧弹性布料上并置于小腿侧面。

更进一步的，后侧震子设置在小腿后侧的腓肠肌上；前侧震子设置在小腿前侧的胫骨前肌上。

更进一步的，单片机通过蓝牙模块分别于角度检测模块和震子模块连接。

具体的，显示屏播放的动画包括信息提示单元和动画单元；信息提示单元包括高频率牛顿环和低频率牛顿环；高频率牛顿环和低频率牛顿环交替分布在三个阶段；动画单元包括动画人物和行走阶段；动画人物初始位于行走阶段的第一阶段起点位置；行走阶段对应步态周期的三个辅助部分，第一阶段和第三阶段对应步态周期的背屈辅助阶段，第二阶段对应步态周期的跖屈辅助阶段。

进一步的，通过第一个高频率牛顿环，通过控制反馈模块的震子模块将振动作用于胫骨前肌，角度检测模块测得踝关节角度信息上传并控制动画人物从第一阶段的起点位置行走至脚跟离地之前；通过低频率牛顿环，震子模块将振动作用于腓肠肌，动画单元进行背屈提示，通过第二个高频率牛顿环，震子模块将振动作用于胫骨前肌；动画人物重新回到第一阶段的起点位置。

具体的，训练椅上设置有气压升降结构、大腿带和胸带，气压升降结构用于调整训练椅的高度，大腿带和胸带分别将使用者训练侧下肢与背部固定于训练椅上。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统，系统采用脑机接口的方式提取使用者的脑电信号行触觉训练，实现主动意图训练；基于稳态视觉诱导技术的训练，模拟行走过程中步态周期，有助于使用者的本体感觉和异常步态训练；震子模块分别作用于行走过程中跖屈和背屈相关的肌肉，准确的模拟人行走过程中的触觉反馈。通过脑机接口控制震子模块实现主动意图的触觉反馈，使用者界面系统实时视觉反馈刺激，多模式反馈更加有助于促进病人康复。

进一步的，由于放大器、滤波器和脑电帽之间通过信号线相连接，放大器和滤波器固定在训练椅后面，便于用户佩戴脑电帽；显示屏放置于桌面上并正对用户，可根据不同用户的需求调整显示屏的位置。

进一步的，由于单片机与震子模块之间通过信号线相连接，将单片机固定于训练椅的底部，便于用户穿戴震子模块；角度检测模块位于踝关节处，可以实时的检测踝关节的转动角度，并将信号传递给单片机。

进一步的，踝部弹性布料能够根据用户脚踝形状的差异性进行适当的形变，柔软并且使用户更加舒服；陀螺仪布置于踝部弹性布料的表面并位于踝关节处，不影响用户的穿戴舒适度且能实时监测踝关节转动的角度；弹性带一端固定于踝部弹性面料且另一端通过方形魔术贴固定于踝部弹性布料的另一侧，方便用户穿脱角度检测模块。

进一步的，外层弹性布料及内层弹性布料充分包裹用户的小腿，柔软且舒适；后侧震子与前侧震子分别等间距设置在内层弹性布料与外层弹性布料之间，保证震子位置和防止穿戴过程震子脱落；形魔术贴缝于外侧弹性布料上并置于小腿侧面，便于用户穿戴震子模块；后侧震子设置在小腿后侧的腓肠肌上，前侧震子设置在小腿前侧的胫骨前肌上，用于恢复用户跖屈和背屈的触觉。

进一步的，信息提示单元的高频率牛顿环和低频率牛顿环对用户进行视觉刺激并产生相应脑电信号，通过控制反馈模块的震子模块将振动作用于相关肌肉，角度检测模块测得踝关节角度信息上传并控制动画人物行走，增加触觉反馈过程的趣味性；震子模块和动画单元相互协调配合，实现触觉和视觉多模式反馈，有助于用户本体感觉的恢复。

进一步的，气压式升降结构可调整康复椅的高度，保证用户的膝关节为90°；大腿带和胸带均为弹性布料并通过魔术贴分别将用户的患侧下肢与背部固定于训练椅上，防止身体的晃动影响角度检测模块的测量精确度。

综上所述，本发明穿戴方便，有助于减少训练前的准备时间；震子模块、角度检测模块采用弹性布料，柔软舒适并可根据用户身体差异性进行形变；训练椅采用气压式升降结构与大腿带和胸带之间协调配合使用，保证用户踝关节为直角并且保证角度检测模块的精度；震子模块与动画单元协调一致，实现视觉与触觉多模式反馈，有助于用户本体感觉的恢复。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明基于稳态视觉诱发技术的动画显示界面示意图；

图3为本发明脑电采集及处理模块示意图；

图4为本发明角度检测模块示意图；

图5为本发明震子模块结构示意图；

图6为本发明震子模块布置示意图，其中，(a)为腓肠肌，(b)为胫骨前肌；

图7为本发明训练系统控制流程示意图。

其中：1.显示屏；2.主机；3.角度检测模块；4.震子模块；5..单片机；6.气压升降结构；7.大腿带；8.训练椅；9.胸带；10.放大器；11.滤波器；12.脑电帽；13.信息提示单元；14.动画单元；15.高频率牛顿环；16.低频率牛顿环；17.动画人物；18.行走阶段；19.步态周期；31.踝部弹性布料；32.陀螺仪；33.方形魔术贴；34.弹性带；41.外层弹性布料；42.后侧震子；43.长形魔术贴；44.前侧震子；45.内侧弹性布料。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统，利用单片机控制震子模块振动并将振动作用于使用者小腿肌肉，使用者可通过主动意图来控制使用者训练侧振动的位置，单片机控制振动模块的强度和频率。通过建立通过视觉刺激来实现使用者训练侧的触觉反馈，达到一种对使用者本体感觉进行训练的效果。

请参阅图1，本发明一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统，包括显示屏1、主机2、角度检测模块3、震子模块4、单片机5、气压升降结构6、大腿带7、训练椅8、胸带9、放大器10、滤波器11和脑电帽12；

显示屏1放置于桌面上并通过信号线与主机2相连；角度检测模块3布置于使用者踝关节处；震子模块4布置于使用者的小腿上；

单片机5固定于训练椅8上，与主机2连接，单片机5内置有蓝牙模块用于控制震子模块4；气压升降结构6可调整训练椅8的高度，保证使用者的膝关节为90°；大腿带7和胸带9均为弹性布料并通过魔术贴分别将使用者的使用者训练侧下肢与背部固定于训练椅8上，防止身体的晃动影响角度检测模块3的测量精确度；放大器10与滤波器11固定于训练椅8背面；脑电帽12、滤波器11、放大器10与主机2依次通过信号线相连。

请参阅图2，显示屏1播放的动画包括信息提示单元13和动画单元14；信息提示单元13包括高频率牛顿环15和低频率牛顿环16；高频率牛顿环15和低频率牛顿环16交替分布在三个不同的阶段；动画单元14包括动画人物17和行走阶段18；动画人物17一开始位于行走阶段18的第一阶段起点位置；行走阶段18对应步态周期19的三个辅助部分，第一阶段和第三阶段对应步态周期19的背屈辅助阶段，第二阶段对应步态周期19的跖屈辅助阶段。

进一步，信息提示单元13和动画单元14组成的使用者界面模拟人步态周期19，有助于使用者的异常步态矫正，其动画过程为：

首先，使用者注视第一个高频率牛顿环31，经过脑电采集处理和震子模块4将振动作用于胫骨前肌，角度检测模块3测得踝关节角度信息上传并控制动画人物17从第一阶段的起点位置行走至脚跟离地之前；

然后，依据跖屈提示信息，使用者注视低频率牛顿环16，采集脑电信号并控制震子模块4将振动作用于腓肠肌，当脚趾离地后，动画单元14进行背屈提示，使用者注视第二个高频率牛顿环15，诱发的脑电信号控制震子模块4将振动作用于胫骨前肌；

最后，动画人物17重新回到第一阶段的起点位置，进行下一次训练。

请参阅图3，脑电帽12采集使用者的脑电信号，脑电帽12的布置遵循国际10-20系统；脑电信号采集位置为国际10-20系统的pz、po3、o1、oz、o2及po4点；随后，脑电信号经过滤波器11滤波和放大器10放大后，传输给主机2；主机2利用典型相关分析算法对使用者基于稳态视觉诱发的大脑皮层相应脑电信号进行提取相关频率转换为控制指令传递给单片机5。

请参阅图4，角度检测模块3包括踝部弹性布料31、陀螺仪32、方形魔术贴33和弹性带34；陀螺仪32内置蓝牙模块并固定于踝部弹性布料31上，穿戴后位于使用者踝关节上；弹性带34一端缝于踝部弹性布料31的一侧且另一端通过方形魔术贴33固定于踝部弹性布料31的另一侧，便于使用者穿戴。

请参阅图5，震子模块4包括外层弹性布料41、后侧震子42、长形魔术贴43、前侧震子44及内层弹性布料45；外层弹性布料41与内层弹性布料45的近膝部位和近踝部位缝制在一起；后侧震子42与前侧震子44均等间距分散固定于内层弹性布料45与外层弹性布料41之间；长形魔术贴43缝于外侧弹性布料41上并置于小腿侧面，便于穿戴。

请参阅图6，后侧震子42布置于小腿后侧的腓肠肌上；前侧震子44布置于小腿前侧的胫骨前肌上。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

请参阅图7，本发明一种基于脑机接口的触觉反馈踝关节功能训练系统的工作方法如下：

首先，高频率牛顿环15与低频率牛顿环16构成信息提示单元13，使用者注视信息提示单元13产生相应的脑电信号；

其次，脑电帽12采集信息提示单元13提示使用者所产生相应的脑电信号、经过滤波器11滤波和放大器10放大；对脑电信号进行处理，并将处理结果转换为控制指令；

随后，单片机5接收控制命令并控制震子模块4，震子模块4将振动作用于使用者相关小腿肌肉；角度检测模块3测量踝关节角度信息并通过内置的蓝牙模块上传至主机2；

最后，主机控制动画单元14播放，使用者选择信息提示单元13的不同频率的牛顿环，最终动画单元14播放完毕并重新开始；

进一步，使用者可通过主动意图来控制振动使用者训练侧的肌肉位置实现使用者训练侧的触觉反馈，单片机5控制震子模块4的振动强度与频率；进而实现信息提示实时反馈并增强训练的效果。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。