CN106371588A - 基于运动想象脑机接口的手功能康复方法 - Google Patents

基于运动想象脑机接口的手功能康复方法 Download PDF

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杨帮华
张桃
段凯文
唐健真
韩旭
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection

Abstract

本发明涉及一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法。本方法包括以下步骤：（1）离线训练：患者进行离线训练，训练结束后，将采集的患者左右手运动想象期间的脑电信号建立首次识别模型；（2）更新训练：患者进行更新训练，依据首次识别模型分析患者左右手运动想象期间的脑电信号，呈现手部动作视频，反馈给患者，产生更易识别的脑电信号，训练结束后，将采集的脑电信号建立更新识别模型；（3）虚拟现实在线训练：患者进行左右手运动想象，依据更新识别模型分析患者的脑电信号，实时控制3D人物左右手运动。该方法具有安全性高、节约人力、趣味性且多层次的特点。本发明能够作为脑卒中患者手功能康复方法，操作简单，为家庭化训练奠定基础。

Description

基于运动想象脑机接口的手功能康复方法
技术领域
本发明涉及一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，能够为脑卒中患者的手功能康复提供离线训练、更新训练和虚拟现实在线训练。具有安全性高、节约人力、趣味性且多层次的特点。
背景技术
脑卒中被列为威胁人类健康的三大疾病之一。据报道，超过48%的患者进入慢性期后仍然存在手功能障碍而不能独立生活，给家庭和社会造成沉重的负担。目前的手功能康复方法，如冷疗法、电刺激疗法、借助康复机器人以及依靠治疗师的运动治疗和作业治疗等方法，不仅耗费较大的人力，缺少趣味性和患者的主动参与，而且更缺乏大脑运动神经系统的直接参与，使得外部肢体和大脑之间的功能控制连接修复有限，康复效果不如人意。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种更为合理的方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，能够为脑卒中患者的手功能康复提供离线训练、更新训练和虚拟现实在线训练。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，包括以下步骤：
（1）离线训练：患者进行离线训练，训练结束后，将采集的患者左右手运动想象期间的脑电信号建立首次识别模型，提供给更新训练；
（2）更新训练：患者进行更新训练，依据首次识别模型分析患者左右手运动想象期间的脑电信号，呈现手部动作视频，反馈给患者，产生更易识别的脑电信号，训练结束后，将采集的脑电信号建立更新识别模型，提供给虚拟现实在线训练；
（3）虚拟现实在线训练：患者进行左右手运动想象，依据更新识别模型分析患者的脑电信号，实时控制3D人物左右手运动。
所述步骤（1）中的离线训练的单次训练过程如下：
（1-1）2s的黑屏呈现，提示患者休息；
（1-2）2s随机的左手或右手的动作视频呈现，提示患者做好准备并指导运动想象动作；
（1-3）4s的与视频中手左右方向一致的箭头呈现，左箭头代表进行左手运动想象，右箭头代表右手运动想象，患者根据箭头提示进行相应的运动想象任务。
所述步骤（2）中的更新训练的单次训练过程如下：
（2-1）2s的黑呈现，提示患者休息；
（2-2）4s的随机左/右箭头呈现，左箭头代表进行左手运动想象，右箭头代表右手运动想象，提示患者进行相应的运动想象任务；
（2-3）4s运动想象分析结果呈现，若收到代表左手想象运动的控制命令，则呈现4s左手动作视频；若收到代表右手想象运动的控制命令，则呈现4s的右手动作视频。其中，左右手动作视频包括左右手比OK、手指内收外展、握拳、比数字、拇指对四指、腕掌屈及前臂旋前旋后动作视频。
所述步骤（3）中的虚拟现实在线训练单次训练过程如下：患者通过左右手运动想象实时控制3D人物左右手运动；其中，3D人物包括人物正面、侧面、背面角度，3D人物左右手运动包括3D人物左右手比OK、手指内收外展、握拳、比数字、拇指对四指、腕掌屈及前臂旋前旋后运动。
本发明与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著的优点：提高训练积极性和趣味性，实现手功能康复的主动训练，有利于运动学习和中枢神经的重塑，为手功能康复的家庭化奠定基础，能够作为脑卒中患者手功能康复方法。
附图说明
图1是本发明具体实施例的基于运动想象脑机接口的手功能康复方法操作程序框图。
图2是本发明具体实施例的基于运动想象脑机接口的手功能康复系统组成框图。
图3是本发明具体实施例的单次离线训练过程范例图。
图4是本发明具体实施例的单次更新训练过程范例图。
图5是本发明实施例的基于运动想象脑机接口的手功能康复方法界面图。
图6是本发明实施例的离线训练流程图。
图7是本发明实施例的更新训练流程图。
图8是本发明实施例的虚拟现实在线训练流程图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1，本基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，包括以下步骤：
（1）离线训练：患者进行离线训练，训练结束后，将采集的患者左右手运动想象期间的脑电信号建立首次识别模型，提供给更新训练；
（2）更新训练：患者进行更新训练，依据首次识别模型分析患者左右手运动想象期间的脑电信号，呈现手部动作视频，反馈给患者，产生更易识别的脑电信号，训练结束后，将采集的脑电信号建立更新识别模型，提供给虚拟现实在线训练；
（3）虚拟现实在线训练：患者进行左右手运动想象，依据更新识别模型分析患者的脑电信号，实时控制3D人物左右手运动。
参见图2，所述步骤（1）中的脑电信号的采集及建立首次识别模型都由信号采集-处理系统完成，通过TCP/IP通讯协议实现与离线训练系统之间的通信；所述步骤（2）的脑电信号分析及建立更新识别模型都由信号采集-处理系统完成，通过TCP/IP通讯协议实现与更新训练系统之间的通信；所述步骤（3）中的脑电信号的分析由信号采集-处理系统完成，通过TCP/IP通讯协议实现与虚拟现实训练系统之间的通信。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
参见图3，所述步骤（1）中的离线训练的单次训练过程如下：
（1-1）2s的黑屏呈现，提示患者休息；
（1-2）2s随机的左手或右手的动作视频呈现，提示患者做好准备并指导运动想象动作；
（1-3）4s的与视频中手左右方向一致的箭头呈现，左箭头代表进行左手运动想象，右箭头代表右手运动想象，患者根据箭头提示进行相应的运动想象任务。
参见图4，所述步骤（2）中的更新训练的单次训练过程如下：
（2-1）2s的黑呈现，提示患者休息；
（2-2）4s的随机左/右箭头呈现（左箭头代表进行左手运动想象，右箭头代表右手运动想象），提示患者进行相应的运动想象任务；
（2-3）4s运动想象分析结果呈现，若收到代表左手想象运动的控制命令，则呈现4s左手动作视频；若收到代表右手想象运动的控制命令，则呈现4s的右手动作视频。
实施例三：本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：
参见图5，本基于运动想象脑机接口的手功能康复方法界面图，包括离线训练界面图（1）、更新训练界面图（2）、虚拟现实在线训练界面图（3）,具体操作步骤分别如下：
参见图6，离线训练的具体操作步骤如下：
1）参数设置：在界面（1）中设置TCP/IP协议的IP地址和端口号、训练时间；
2）通讯连接：单击“开始监听”按钮，离线训练子系统对信号采集-处理系统的连接进行监听；
3）离线训练：单击“开始计时”按钮，开始离线训练，通过TCP/IP协议控制信号采集-处理系统对脑电信号的采集。
参见图7，更新训练具体操作步骤如下：
1）参数设置：在界面（2）中设置TCP/IP协议的IP地址和端口号、训练时间；
2）通讯连接：单击“开始监听”按钮，更新训练子系统对信号采集-处理系统的连接进行监听；
3）动作视频选择：单击“比OK”、“手指内收外展”、“握拳”、“比数字”、“拇指对四指”、“腕掌屈”、“前臂旋前旋后”按钮中的一个，选择一种动作视频；
4）更新训练：单击“开始计时”按钮，开始更新训练，通过TCP/IP协议控制信号采集-处理系统对脑电信号的采集处理。
参见图8，虚拟现实在线训练的具体操作步骤如下：
1）参数设置：在界面（3）中设置TCP/IP协议的IP地址和端口号、训练时间；
2）通讯连接：单击“开始监听”按钮，虚拟现实在线训练子系统对信号采集-处理系统的连接进行监听；
3）人物训练角度选择：单击“人物正面”、“人物侧面”“人物背面”按钮中的一个，选一种人物角度；
4）动作选择：单击“比OK”、“手指内收外展”、“握拳”、“比数字”、“拇指对四指”、“腕掌屈”、“前臂旋前旋后”按钮中的一个，选择一种人物手部动作；
5）虚拟现实在线训练：单击“开始计时”按钮，开始虚拟现实在线训练，通过TCP/IP协议控制信号采集-处理系统对脑电信号的采集处理。

Claims (4)

1.一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
（1）离线训练：患者进行离线训练，训练结束后，将采集的患者左右手运动想象期间的脑电信号建立首次识别模型，提供给更新训练；
（2）更新训练：患者进行更新训练，依据首次识别模型分析患者左右手运动想象期间的脑电信号，呈现手部动作视频，反馈给患者，产生更易识别的脑电信号，训练结束后将采集的脑电信号建立更新识别模型，提供给虚拟现实在线训练；
（3）虚拟现实在线训练：患者进行左右手运动想象，依据更新识别模型分析患者的脑电信号，实时控制3D人物左右手运动。
2.根据权利要求1所述的基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，其特征在于：所述步骤（1）中的离线训练的单次训练过程如下：
（1-1）2s的黑屏呈现，提示患者休息；
（1-2）2s随机的左手或右手的动作视频呈现，提示患者做好准备并指导运动想象动作；
（1-3）4s的与视频中手左右方向一致的箭头呈现，左箭头代表进行左手运动想象，右箭头代表右手运动想象，患者根据箭头提示进行相应的运动想象任务。
3.根据权利要求1所述的基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，其特征在于：所述步骤（2）中的更新训练的单次训练过程如下：
（2-1）2s的黑呈现，提示患者休息；
（2-2）4s的随机左/右箭头呈现，左箭头代表进行左手运动想象，右箭头代表右手运动想象，提示患者进行相应的运动想象任务；
（2-3）4s运动想象分析结果呈现，若收到代表左手想象运动的控制命令，则呈现4s左手动作视频；若收到代表右手想象运动的控制命令，则呈现4s的右手动作视频；
其中，左右手动作视频包括左右手比OK、手指内收外展、握拳、比数字、拇指对四指、腕掌屈及前臂旋前旋后动作视频，供患者训练时选择。
4.根据权利要求1所述的基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，其特征在于：所述步骤（3）中的虚拟现实在线训练单次训练过程如下：患者通过左右手运动想象实时控制3D人物左右手运动；其中，3D人物包括人物正面、侧面、背面角度，3D人物左右手运动包括3D人物左右手比OK、手指内收外展、握拳、比数字、拇指对四指、腕掌屈及前臂旋前旋后运动，供患者训练时选择。
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