CN112578912B - 一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备，包括工作台及设于工作台上的脑电信号采集装置、脑电信号处理装置、VR处理与视听装置和手指训练装置；VR处理与视听装置嵌于工作台的方形孔内，工作台上设有导轨，手指训练装置包括固定在导轨调节滑块上的露指尖手套；脑电信号处理装置利用脑电信号采集装置采集的脑电信号，计算受试者执行手指动作想象过程中脑电在不同频段的多特征融合数据；VR处理与视听装置用于生成手指训练任务、对音乐进行控制以及根据多特征融合数据对虚拟模型进行控制；手指训练装置根据多特征融合数据带动受试者手指动作，以完成训练任务；本发明在训练任务引导和脑机交互闭环反馈中融入音乐刺激，促进脑机交互高效进行。
Description
技术领域
本发明涉及脑机交互技术领域，具体涉及一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备。
背景技术
手功能康复是脑卒中等众多脑损伤疾病均需面临的问题，由于手部运动控制所映射的大脑皮层范围较大，手指功能涉及的精细化动作所需的神经回路十分复杂，使得手功能康复成为康复治疗中的难点。脑机交互作为一种多模式、多反馈的康复干预新技术，可识别大脑正在进行的各种思维活动及运动意图，实现大脑与外界的交互，通过神经反馈修复损伤区脑功能，实现大脑的神经重塑以及肢体运动功能的康复。
然而，目前的脑控手功能训练设备，一般以画面提示或者画面提示配以单调的声音提示的方式提示受试者执行诸如运动想象的思维活动，例如公告号为CN106371588A的专利说明书中公开了一种基于运动想象脑机接口的手功能康复方法，采用手部动作视频和左右箭头图像的画面提示方式；而公开号为CN111631908A的专利说明书中公开了一种基于脑机交互与深度学习的主动式手部训练系统及方法，采用左右箭头图像的画面提示配以蜂鸣声提示的方式。
上述方案中，引导过程的视听觉提示信息有限，并且一段时间的想象容易引起大脑疲劳，脑机交互过程较难持续。此外，在现有技术中，画面提示的运动想象内容与实际环境中的脑控对象(即手功能训练设备)之间没有建立直接联系，这也使得受试者较难进入运动想象状态并进行手部动作的运动想象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备，在训练任务引导和脑机交互闭环反馈中均融入音乐刺激，能促进受试者脑机交互过程高效地进行，并缓解大脑疲劳程度。同时，设备以手指触键动作想象的脑机交互构建训练任务、按桌面式进行结构设计，在运动想象内容与实际环境中的手指训练装置之间建立直接联系，便于受试者进入运动想象状态、且较为容易地进行手指动作的运动想象。
一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备，包括：
脑电信号采集装置，用于采集受试者在执行手指动作想象过程中的大脑脑电信号；
脑电信号处理装置，利用所述大脑脑电信号，计算得到受试者执行手指动作想象过程中大脑脑电在不同频段的多特征融合数据，并将所述多特征融合数据传入VR处理与视听装置和手指训练装置；
VR处理与视听装置，用于生成手指训练任务，根据接收的所述多特征融合数据控制训练任务过程中的虚拟模型，控制训练任务过程中的音乐，并显示训练任务过程、播放音乐；
手指训练装置，根据接收的所述多特征融合数据带动受试者手指动作，以完成手指训练任务。
本方案中，在训练任务引导和脑机交互闭环反馈中均融入音乐刺激，能更好地对受试者的运动想象过程进行引导并给予视听觉互相融合的反馈，促进脑机交互过程高效地进行。
作为优选，一次所述手指训练任务设计为：按设定的钢琴乐曲中一个乐句的所需触键依次实施手指动作想象脑机交互控制过程，一个乐句的触键由多个音符的触键顺次组成；
所述VR处理与视听装置包括VR处理单元和VR视听单元，所述VR处理单元包括琴键控制模块和音乐控制模块；
所述琴键控制模块用于构建每次手指训练任务过程中的用于引导受试者进行手指触键动作想象的虚拟场景中的琴键模型，并对所需触键的画面提示、琴键状态、琴键位置进行控制；
所述音乐控制模块用于控制每次手指训练任务所需触键的琴声提示、触键后琴键状态对应的琴声，以及一次训练任务所有触键的手指动作想象脑机交互控制完成后，对所有触键顺次组成的一个乐句进行整体回播；
所述VR视听单元用于显示虚拟场景中的琴键模型、训练任务所需触键的画面提示、琴键状态，播放训练任务所需触键的琴声提示、触键后琴键状态对应的琴声，并回播训练任务对应的乐曲乐句。
作为优选，不同频段的多特征融合数据为：受试者执行手指动作想象过程中，大脑脑电在0.1～7Hz特征频段反映运动相关皮质电位变化的短时时序特征与在8～14Hz、15～30Hz特征频段反映事件相关同步/去同步现象的功率能量特征及短时时序特征，经过多特征权重配置以及加权平均后形成的多特征融合数据。
作为优选，所述手指训练装置包括露指尖手套、气管和用于为气管供气的供气系统，所述露指尖手套的手指套上各安装1根气管，所述气管靠近手指的一端封闭、另一端与供气系统连接；
所述手指训练装置根据接收的多特征融合数据大小，通过供气系统和气管控制手指套运动的幅度，手指套运动带动受试者手指动作，使得受试者手指末端触碰到VR处理与视听装置。
作为优选，所述脑控手指训练设备还包括工作台，所述工作台上设置有导轨，所述导轨上设置有能在其上滑动的调节滑块，所述露指尖手套固定在对应的调节滑块上。
作为优选，所述调节滑块上设置有能将调节滑块锁死的锁紧螺钉。
作为优选，所述工作台的台面设置有方形孔，所述VR处理与视听装置水平设于方形孔内。
作为优选，所述VR处理与视听装置采用带触摸显示屏、内置音响的一体式计算机设备。
本发明的有益效果：
本发明的脑控手指训练设备，按照乐曲乐句的所需触键、以手指触键动作想象的脑机交互构建手指训练任务，在训练任务引导和脑机交互闭环反馈中均融入音乐刺激，相比于现有技术中的画面提示或者画面提示配以单调的声音提示的方式，能更好地对受试者的运动想象过程进行引导并给予视听觉互相融合的反馈，促进脑机交互过程高效地进行。并且，音乐刺激的融入能够给受试者带来愉悦感，缓解由运动想象引起的大脑疲劳程度。
同时，本发明的脑控手指训练设备，在以手指触键动作想象的脑机交互构建训练任务的基础上，将其中的VR处理与视听装置和手指训练装置以桌面式结构设计，使得受试者开展手指动作想象的想象内容与手指训练装置带动受试者手指实际动作的闭环反馈之间建立直接联系，并与所需完成的训练任务保持一致，因而能够让受试者较为容易地进行对应手指动作的运动想象；此外，在脑机交互过程中，受试者可同时观察由VR处理与视听装置呈现的所需触键和其上方对应的自身手指，便于受试者进入运动想象状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明另一视角的结构示意图；
图3为手指训练装置的结构示意图；
图4为本发明左侧手指动作运动想象训练任务的使用状态示意图；
图5为本发明右侧手指动作运动想象训练任务的使用状态示意图；
图6为实施例中设定乐曲的示例图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1-3所示，一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备，包括工作台1、设于工作台1台面右下方的脑电信号采集装置2、设于工作台1台面左下方的脑电信号处理装置3、设于工作台1台面的VR处理与视听装置4，以及手指训练装置5。手指训练装置5包括设于工作台1台面的露指尖手套51和设于工作台1台面前下方的供气系统53。
在本实施例中，VR处理与视听装置4生成并呈现设定乐曲乐句的手指触键动作训练任务，通过虚拟场景琴键模型中所需触键的画面和琴声提示引导受试者进行手指动作想象。
脑电信号处理装置3接收脑电信号采集装置2采集的受试者大脑脑电信号，并计算其执行手指动作想象过程中大脑脑电在不同频段的多特征融合数据，传入手指训练装置5中控制露指尖手套51的手指套运动，手指套运动带动受试者手指的动作，使得手指末端触碰到VR处理与视听装置4显示的虚拟场景琴键模型中的所需触键。
进一步，上述多特征融合数据传入VR处理与视听装置4中控制虚拟场景琴键模型的琴键状态，并播放触键后琴键状态对应的琴声、回播训练任务对应的乐曲乐句。
其中，脑电信号采集装置2用于采集受试者在执行手指动作想象过程中的大脑脑电信号，具体地，脑电信号采集装置2包括电极帽和脑电采集仪，将脑电采集仪设于工作台1台面的右下方、将电极帽佩戴至受试者头部；电极帽采集受试者脑电模拟信号并发送至脑电采集仪，脑电采集仪通过对脑电模拟信号进行放大、滤波及模数转换等预处理后生成脑电信号，发送至脑电信号处理装置3。
脑电信号处理装置3利用脑电信号采集装置2所采集的大脑脑电信号，计算受试者执行手指动作想象过程中大脑脑电在0.1～7Hz特征频段反映运动相关皮质电位变化的短时时序特征与在8～14Hz、15～30Hz特征频段反映事件相关同步/去同步现象的功率能量特征以及短时时序特征，将上述特征进行权重配置以及加权平均后，得到多特征融合数据，传入VR处理与视听装置4和手指训练装置5。
VR处理与视听装置4包括VR处理单元和VR视听单元。工作台1台面上设置有一方形孔，VR处理与视听装置4嵌于该方形孔内。在本实施例中，VR处理与视听装置4采用带触摸显示屏、内置音响的一体式计算机设备。
VR处理单元用以生成手指训练任务，一次手指训练任务具体设计为：按设定乐曲中一个乐句的所需触键依次实施手指动作想象脑机交互控制过程，一个乐句的触键由多个音符的触键顺次组成。
同时，VR处理单元用以控制训练任务过程中的琴键以及音乐。设定乐曲的示例如图6所示，具体包括三个乐句，每个乐句包括上下两排，上排对应右手，下排对应左手，其中数字1-5分别对应大拇指触键、食指触键、中指触键、无名指触键和小拇指触键，音符与所需触键对应。
VR处理单元具体包括琴键控制模块和音乐控制模块。琴键控制模块用于构建每次训练任务过程中的用于引导受试者进行手指触键动作想象的虚拟场景中的琴键模型，并对所需触键的画面提示、琴键状态、琴键位置进行控制。琴键模型按单侧手指动作运动想象、双侧手指动作运动想象训练任务设计，且初始设计为以钢琴键盘的中央C为基准。
在本实施例中，左侧手指动作运动想象训练任务时，琴键模型初始设计为以钢琴键盘中央C起始的左侧一个八度；右侧手指动作运动想象训练任务时，琴键模型初始设计为以钢琴键盘中央C起始的右侧一个八度；双侧手指动作运动想象训练任务时，琴键模型初始设计为以钢琴键盘中央C为中心的左右两侧各一个八度。
进一步，琴键控制模块根据从脑电信号处理装置3中接收到的受试者执行手指动作想象过程中大脑脑电在0.1～7Hz特征频段反映运动相关皮质电位变化的短时时序特征与在8～14Hz、15～30Hz特征频段反映事件相关同步/去同步现象的功率能量特征以及短时时序特征经过多特征权重配置以及加权平均后形成的多特征融合数据，控制琴键按下与否的状态。
音乐控制模块用于控制每次手指训练任务所需触键的琴声提示、触键后琴键状态对应的琴声，以及一次训练任务所有触键的手指动作想象脑机交互控制完成后，对所有触键顺次组成的一个乐句进行整体回播。
VR视听单元用于显示虚拟场景中的琴键模型、训练任务所需触键的画面提示、琴键状态，播放训练任务所需触键的琴声提示、触键后琴键状态对应的琴声，并回播训练任务对应的乐曲乐句。
手指训练装置5设计为气动结构，包括露指尖手套51、气管52和用于为气管52供气的供气系统53。露指尖手套51的手指套511上各安装1根气管52，气管52的靠近手指一端封闭、另一端与供气系统53连接，用于控制手指套511运动从而带动受试者手指的动作，使得手指末端可触碰到VR处理与视听装置4。
在本实施例中，气管52设计为伸缩管结构，通过控制伸缩管气压使得手指套511运动从而带动受试者手指进行向下弯曲动作。更具体地，手指训练装置5根据从脑电信号处理装置3中接收到的受试者执行手指动作想象过程中大脑脑电在0.1～7Hz特征频段反映运动相关皮质电位变化的短时时序特征与在8～14Hz、15～30Hz特征频段反映事件相关同步/去同步现象的功率能量特征以及短时时序特征经过多特征权重配置以及加权平均后形成的多特征融合数据，通过供气系统53和气管52控制露指尖手套51的手指套511运动的幅度。
为了方便露指尖手套51的移动，在一些可选的实施例中，工作台1上设置有导轨54，导轨54上设置有能在其上滑动的两个调节滑块55，露指尖手套51固定在对应的调节滑块55上。具体地，导轨54为平行设置的双圆轨，调节滑块55对应设计为带双孔的结构，以防止其左右移动时的旋转，增加稳定性。
为保证调节滑块55移动后的定位，调节滑块55上设有锁紧螺钉551，通过调节锁紧螺钉551，可将调节滑块55锁死在在双圆轨上。根据受试者训练侧，通过调节滑块55调节露指尖手套51在双圆轨上的位置，并通过锁紧螺钉551锁死。
在本实施例中，左侧手指动作运动想象训练任务时，如图4所示，将左上肢手指的露指尖手套51通过调节滑块55移动至双圆轨中间位置、将右上肢手指的露指尖手套51通过调节滑块55移动至双圆轨最右边位置，两者分别通过锁紧螺钉551锁死在双圆轨上。
右侧手指动作运动想象训练任务时，如图5所示，将右上肢手指的露指尖手套51通过调节滑块55移动至双圆轨中间位置、将左上肢手指的露指尖手套51通过调节滑块55移动至双圆轨最左边位置，两者分别通过锁紧螺钉551锁死在双圆轨上；左右双侧手指动作运动想象训练任务时，将左上肢手指和右上肢手指的露指尖手套51分别通过调节滑块55移动至双圆轨中间的左右两侧对称位置，两者分别通过锁紧螺钉551锁死在双圆轨上。
露指尖手套51根据单侧手指动作运动想象、双侧手指动作运动想象训练任务设计为单手和双手形式，与琴键控制模块的虚拟场景中的琴键模型对应。
在一次手指训练任务的手指触键动作想象脑机交互控制过程，琴键控制模块根据设定乐曲中一个乐句的所需触键、以及露指尖手套51在双圆轨上的位置，整体移动虚拟场景中琴键模型的琴键位置，使得由VR视听单元显示的虚拟场景中琴键模型中的所需触键位于受试者训练侧手指下方，引导受试者观察虚拟场景中琴键模型中的所需触键和上方对应的自身手指，进而完成对应手指的动作想象。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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。
Claims (7)
1.一种基于音乐刺激的脑控手指训练设备，其特征在于,包括：
脑电信号采集装置，用于采集受试者在执行手指动作想象过程中的大脑脑电信号；
脑电信号处理装置，利用所述大脑脑电信号，计算得到受试者执行手指动作想象过程中大脑脑电在不同频段的多特征融合数据，并将所述多特征融合数据传入VR处理与视听装置和手指训练装置；
VR处理与视听装置，用于生成手指训练任务，根据接收的所述多特征融合数据控制训练任务过程中的虚拟模型，控制训练任务过程中的音乐，并显示训练任务过程、播放音乐；
手指训练装置，根据接收的所述多特征融合数据带动受试者手指动作，以完成手指训练任务；
一次所述手指训练任务设计为：按设定的钢琴乐曲中一个乐句的所需触键依次实施手指动作想象脑机交互控制过程，一个乐句的触键由多个音符的触键顺次组成；
所述VR处理与视听装置包括VR处理单元和VR视听单元，所述VR处理单元包括琴键控制模块和音乐控制模块；
所述琴键控制模块用于构建每次手指训练任务过程中的用于引导受试者进行手指触键动作想象的虚拟场景中的琴键模型，并对所需触键的画面提示、琴键状态、琴键位置进行控制；所述音乐控制模块用于控制每次手指训练任务所需触键的琴声提示、触键后琴键状态对应的琴声，以及一次训练任务所有触键的手指动作想象脑机交互控制完成后，对所有触键顺次组成的一个乐句进行整体回播；
所述VR视听单元用于显示虚拟场景中的琴键模型、训练任务所需触键的画面提示、琴键状态，播放训练任务所需触键的琴声提示、触键后琴键状态对应的琴声，并回播训练任务对应的乐曲乐句。
2.根据权利要求1所述的脑控手指训练设备，其特征在于,不同频段的多特征融合数据为：受试者执行手指动作想象过程中，大脑脑电在0.1～7Hz特征频段反映运动相关皮质电位变化的短时时序特征与在8～14Hz、15～30Hz特征频段反映事件相关同步/去同步现象的功率能量特征及短时时序特征，经过多特征权重配置以及加权平均后形成的多特征融合数据。
3.根据权利要求1所述的脑控手指训练设备，其特征在于,所述手指训练装置包括露指尖手套、气管和用于为气管供气的供气系统，所述露指尖手套的手指套上各安装1根气管，所述气管靠近手指的一端封闭、另一端与供气系统连接；
所述手指训练装置根据接收的多特征融合数据大小，通过供气系统和气管控制手指套运动的幅度，手指套运动带动受试者手指动作，使得受试者手指末端触碰到VR处理与视听装置。
4.根据权利要求3所述的脑控手指训练设备，其特征在于,所述脑控手指训练设备还包括工作台，所述工作台上设置有导轨，所述导轨上设置有能在其上滑动的调节滑块，所述露指尖手套固定在对应的调节滑块上。
5.根据权利要求4所述的脑控手指训练设备，其特征在于,所述调节滑块上设置有能将调节滑块锁死的锁紧螺钉。
6.根据权利要求4所述的脑控手指训练设备，其特征在于,所述工作台的台面设置有方形孔，所述VR处理与视听装置水平设于方形孔内。
7.根据权利要求1所述的脑控手指训练设备，其特征在于,所述VR处理与视听装置采用带触摸显示屏、内置音响的一体式计算机设备。
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