CN103623504A

CN103623504A - 脑电语言障碍康复设备

Info

Publication number: CN103623504A
Application number: CN201310670548.2A
Authority: CN
Inventors: 吕桂泽; 高强; 马津全; 王颖纯; 宋雨; 崔扬
Original assignee: TIANJIN MINGDU TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN MINGDU TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种脑电语言障碍康复设备，所述康复设备包括电极帽和控制器，所述电极帽与所述控制器连接。与现有技术相比，本发明成本较低、操作简单、通过采取脑电信号经过处理后利用电刺激特定脑部区域，以及电针刺激脑部足少阳胆经和督脉，可以实现患有脑血管病的运动性失语症患者康复的技术效果，同时，利用本发明康复时间比较短，在一定的治疗周期内患者恢复到可以进行简单交流。

Description

脑电语言障碍康复设备

技术领域

本发明属于语言障碍医疗设备技术领域，尤其涉及一种脑电语言障碍康复设备。

背景技术

据统计，中国正在逐渐迈入老年人社会，老年人的身心健康以及各种福利受到社会的广泛关注。当前，面向失能及部分失能老年人和残障者的语言障碍康复治疗及训练用的设备，正在进行大力开发。

基于脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)的康复技术主要有三种：第一种，利用BCI系统直接与外界交流，如控制神经假肢、智能轮椅、电脑荧幕上的光标等；第二种，对于那些神经阻断但肢体尚在的残疾人可利用BCI系统直接控制其肢体肌肉，使肢体完成日常生活基本动作；第三种，由于神经科学的发展，科学家发现人在整个生命过程中中枢神经系统的功能在合理的生理电位作用下可以重塑，那么可以利用BCI系统进行神经再恢复，如通运动想象而产生相应脑电来推动神经再恢复。以目前市场上最有效的失语症康复系统美国COGNI为例，COGNI失语症训练系统采用多点触摸技术和智能语音识别技术reCOGNIzer,利用多媒体电脑的声光电刺激，实现对失语症患者全自动智能训练康复。

但是，上述的语言障碍康复系统是一种单向的，通过声光电外部感觉刺激来实现对失语症患者康复治疗，且治疗时间较长，治疗设备（一般都需要多媒体电脑）对于老年人操作来说比较复杂，设备所需费用昂贵，普通患者很难承受的起，另外，上述系统无法将患者的思维想法与康复设备联系起来，从而很难使患者达到用语言准确表达自己思想的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种脑电语言障碍康复设备，以解决现有技术中的康复系统治疗时间长、操作复杂、费用昂贵且无法完成患者用语言准确表达自己思想的目的。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种脑电语言障碍康复设备，所述康复设备包括电极帽和控制器，所述电极帽与所述控制器连接；所述电极帽包括信号采集电路、电刺激电路，所述信号采集电路包括两级放大电路、五阶高通滤波电路、陷波电路、主动式高阶滤波电路、第一信号传输电路，所述脑电信号采集后，依次通过所述两级放大电路、五阶高通滤波电路、陷波电路、主动式高阶滤波电路完成脑电信号的去噪与滤波，完成去噪和滤波后的脑电信号经过所述第一信号传输电路传输到所述控制器；所述控制器包括辨识电路、第二信号传输电路，所述辨识电路用于接收到所述第一信号传输电路传输的脑电信号后输出与设备使用者思维状态所对应的特定频率的数字信号；所述电刺激电路包括信号接收电路、正弦波发生电路、脉冲信号发生电路、电极、电针，所述信号接收电路用于接收所述思维状态所对应的特定频率的数字信号，所述正弦波发生电路用于产生基于所述频率可变的正弦波电压，所述电极根据所述正弦波电压刺激设备使用者大脑的顶叶、颞叶和额叶语言功能区域；所述电针用于刺激大脑的足少阳胆经及督脉，所述脉冲信号发生电路控制所述电针。

其中，所述电针的工作参数包括：频率50Hz、电压3V、电流0.1-0.5mA。

其中，所述第一信号传输电路包括模数转换电路，所述模数转换电路用于在所述完成去噪和滤波后的脑电信号经过所述第一信号传输电路传输到所述控制器前将所述完成去噪和滤波后的脑电信号转换数字信号，所述第一信号传输电路、第二信号传输电路为无线传输电路。

其中，所述虚拟辨识器包括小波包分析算法、时频空分析算法、支持向量机分类算法，所述小波包分析算法，用于处理接收到的所述第一信号传输电路传输的脑电信号中提取出特征信息形成初始特征，所述时频空分析算法用于从所述初始特征中选择特征子集形成特征向量，所述支持向量机分类算法用于根据所述特征向量将所述接收到的所述第一信号传输电路传输的脑电信号进行特征选取与信号分类。

其中，在每次使用所述康复设备时，所述电极刺激和所述电针刺激的时间，根据每次采集的脑电信号的特征确定。

本发明的有益效果，与现有技术相比，本发明成本较低、操作简单、通过采取脑电信号经过处理后利用电刺激特定脑部区域，以及电针刺激脑部足少阳胆经和督脉，可以实现患有脑血管病的运动性失语症患者康复的技术效果，同时，利用本发明康复时间比较短，在一定的治疗周期内患者恢复到可以进行简单交流。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1-信号采集电路，2-电刺激电路，3-电针，4-控制器,5-电极帽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解为此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种脑电语言障碍康复设备，所述康复设备包括电极帽和控制器，所述电极帽与所述控制器连接；所述电极帽包括信号采集电路、电刺激电路，所述信号采集电路包括两级放大电路、五阶高通滤波电路、陷波电路、主动式高阶滤波电路、第一信号传输电路，所述脑电信号采集后，依次通过所述两级放大电路、五阶高通滤波电路、陷波电路、主动式高阶滤波电路完成脑电信号的去噪与滤波，完成去噪和滤波后的脑电信号经过所述第一信号传输电路传输到所述控制器；所述控制器包括辨识电路、第二信号传输电路，所述辨识电路用于接收到所述第一信号传输电路传输的脑电信号后输出与设备使用者思维状态所对应的特定频率的数字信号；所述电刺激电路包括信号接收电路、正弦波发生电路、脉冲信号发生电路、电极、电针，所述信号接收电路用于接收所述思维状态所对应的特定频率的数字信号，所述正弦波发生电路用于产生基于所述频率可变的正弦波电压，所述电极根据所述正弦波电压刺激设备使用者大脑的顶叶、颞叶和额叶语言功能区域；所述电针用于刺激大脑的足少阳胆经及督脉，所述脉冲信号发生电路控制所述电针。

本发明基于脑-机接口（BCI）的人机融合控制系统。“脑控”涉及神经科学、认知科学、控制科学、医学、计算机科学和心理学等多个学科，是一个新兴的多学科交叉的前沿研究方向。同时，脑机接口技术的迅速发展为脑控的研究提供了技术支撑，使脑控系统得以实现。脑机接口是通过计算机或其他电子设备在人脑与外界环境之间，建立一条不依赖于正常的由外周神经和肌肉组织的对外信息交流和控制通路。大脑在进行思维活动、产生动作意识或受外界刺激时，神经细胞将产生几十毫伏的电活动，大量神经细胞的电活动传到头皮表层形成脑电波，此脑电波将体现出某种节律和空间分布的特征，并可以通过一定的方法加以检测，再通过信号处理（特征提取和信号分类）从中辨析出人的意图信号，而将其转换为控制命令，来实现对外部设备的控制和与外界的交流。目前，脑机接口采用的输入信号包括P300、稳态视觉诱发电位(Steady2StateVisual Evoked Potential，SSVEP)、皮层慢电位(Slow Cortical Potential，SCP)以及μ或β节律等。其中,基于SCP、μ或β节律等自发脑电的脑机接口属于独立型脑机接口，人们可以通过学习来控制SCP、μ或β节律的变化。SCP出现的频率范围在0.1-3Hz，变化缓慢，持续时间交叉。由于其频率较低，在脑电信号低频滤波时极易被滤掉，因此在实际应用中很少提及。无论是正常人还是存在运动残疾的人，通过训练能够学会控制β节律（13-28Hz）的幅度，且在频域当中幅值明显，易于采集和控制，因此本次脑机接口输入信号采用β节律。

基于上述原理，本发明提供了一种脑电语言障碍康复设备的内部电路结构，包括电极帽、控制器，电极帽集成了信号采集电路、电刺激电路。

本发明通过非侵入式电极帽采集皮层β节律信号来实现对脑电信号的采集。由于脑电信号中有工频的杂波、眼电、心电以及肌电等伪迹，因此，信号将依次通过两级放大电路，五阶高通滤波电路，陷波电路，主动式高阶滤波电路，完成脑电信号的去噪与滤波。信号采集电路，输出的脑电信号通过一个无线通信，传送到控制器进行处理，控制器利用现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array,FPGA)实现了信号的处理。本发明中将信号采集装置电极帽与信号处理装置控制器物理隔离，消除了设备使用者与FPGA的电气连接，使脑电信号采集装置更便捷，确保了患者的绝对安全。

本发明，所述第一信号传输电路包括模数转换电路，所述模数转换电路用于在所述完成去噪和滤波后的脑电信号经过所述第一信号传输电路传输到所述控制器前将所述完成去噪和滤波后的脑电信号转换数字信号，所述第一信号传输电路、第二信号传输电路为无线传输电路。

脑电信号的分类处理主要特征抽取和模式识别。特征抽取的主要作用是从脑电信号中抽取出能够反映受试者不同思维状态的脑电特征，将其转换为特征向量作为模式识别的输入。特征抽取是脑电信号处理中十分重要的一步，抽取出的特征的好坏将直接影响脑电信号的识别率。模式识别主要是寻找一个以特征向量为输入的判别函数，并且能识别出不同的脑电信号。本发明的核心就是通过FPGA对脑电信号进行信息处理。

本发明虚拟辨识器包括小波包分析算法、时频空分析算法、支持向量机分类算法，所述小波包分析算法，用于处理接收到的所述第一信号传输电路传输的脑电信号中提取出特征信息形成初始特征，所述时频空分析算法用于从所述初始特征中选择特征子集形成特征向量，所述支持向量机分类算法用于根据所述特征向量将所述接收到的所述第一信号传输电路传输的脑电信号进行特征选取与信号分类。

考虑到皮层β节律信号频域特性好，本发明采用小波包分析算法进行提取。同时，由于自发EEG信号信噪比低，且某些干扰成分与信号具有相似的时频特性，单纯的时频特征提取因区分度不够，会影响分类效果，本发明继续利用时域-空域分析方法对信号进行综合处理。

模式识别是脑电信号处理的重点，本发明利用支持向量机(Supportvector machine,SVM)对维数高的非线性数据记性处理。

电刺激装置由信号接收电路、正弦波发生电路和脉冲信号发生电路组成。频率信号接收电路接收有效脑电波，正弦波发生电路产生正弦波电压，作用于电极刺激患者大脑的顶叶、颞叶和额叶语言功能区域。正弦波发生电路用于控制所述电极，脉冲信号发生电路用于控制所述电针。

所述电针集成于所述电极帽上，所述电针用于刺激大脑的足少阳胆经及督脉。较优地，在电极作用一定时间后，所述电针开始发挥作用。

本发明的有益效果，与现有技术相比，成本较低、操作简单、通过采取脑电信号经过处理后利用电刺激特定脑部区域，可以实现患有脑血管病的运动性失语症患者康复的技术效果，同时，实现了中西医的结合，经过试验，还采用了利用电针刺激使用者的特定部位，足少阳胆经以及督脉，刺激该特定部位对使用者起到了治疗作用，利用本发明康复时间比较短，在一定的治疗周期内患者恢复到可以进行简单交流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种脑电语言障碍康复设备，其特征在于，所述康复设备包括电极帽和控制器，所述电极帽与所述控制器连接；所述电极帽包括信号采集电路、电刺激电路，所述信号采集电路包括两级放大电路、五阶高通滤波电路、陷波电路、主动式高阶滤波电路、第一信号传输电路，所述脑电信号采集后，依次通过所述两级放大电路、五阶高通滤波电路、陷波电路、主动式高阶滤波电路完成脑电信号的去噪与滤波，完成去噪和滤波后的脑电信号经过所述第一信号传输电路传输到所述控制器；所述控制器包括辨识电路、第二信号传输电路，所述辨识电路用于接收到所述第一信号传输电路传输的脑电信号后输出与设备使用者思维状态所对应的特定频率的数字信号；所述电刺激电路包括信号接收电路、正弦波发生电路、脉冲信号发生电路、电极、电针，所述信号接收电路用于接收所述思维状态所对应的特定频率的数字信号，所述正弦波发生电路用于产生基于所述频率可变的正弦波电压，所述电极根据所述正弦波电压刺激设备使用者大脑的顶叶、颞叶和额叶语言功能区域；所述电针用于刺激大脑的足少阳胆经及督脉，所述脉冲信号发生电路控制所述电针。

2.根据权利要求1所述的脑电语言障碍康复设备，其特征在于，所述电针的工作参数包括：频率50Hz、电压3V、电流0.1-0.5mA。

3.根据权利要求1或2所述的脑电语言障碍康复设备，其特征在于，所述第一信号传输电路包括模数转换电路，所述模数转换电路用于在所述完成去噪和滤波后的脑电信号经过所述第一信号传输电路传输到所述控制器前将所述完成去噪和滤波后的脑电信号转换数字信号，所述第一信号传输电路、第二信号传输电路为无线传输电路。

4.根据权利要求3所述的脑电语言障碍康复设备，其特征在于，所述虚拟辨识器包括小波包分析算法、时频空分析算法、支持向量机分类算法，所述小波包分析算法，用于处理接收到的所述第一信号传输电路传输的脑电信号中提取出特征信息形成初始特征，所述时频空分析算法用于从所述初始特征中选择特征子集形成特征向量，所述支持向量机分类算法用于根据所述特征向量将所述接收到的所述第一信号传输电路传输的脑电信号进行特征选取与信号分类。

5.根据权利要求4所述的脑电语言障碍康复设备，其特征在于，在每次使用所述康复设备时，所述电极刺激和所述电针刺激的时间，根据每次采集的脑电信号的特征确定。