CN113499524A - 一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，包括用户模块，数据处理模块与执行端模块。用户模块用于提示用户进行模式的运动想象，并同步采集脑电图；数据处理模块提取出用户模块采集到的脑电图并进行空间特征提取，后对脑电图样本进行分类，得到其对应的运动想象类别，进而将之转化为命令传输到执行端模块；执行端模块依托机器人平台，辅助用户进行对应的肢体运动。按照用户意图帮助其进行运动，达到了主动有意识的康复效果。相较于传统的利用被动运动来刺激神经末端的康复训练方法，本发明可以从根本上促进提升运动感知能力，从而更好地帮助其进行康复训练，以达到更好的康复效果，大大减小对康复治疗师及陪护人员的负担。

Description

一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统
技术领域
本发明涉及康复训练领域，尤其涉及一种利用运动想象脑电图检测的精细化辅助康复系统，具体为一种通过脑电图检测用户运动意图并将之用于控制执行端机器人辅助偏瘫患者进行康复的系统。
背景技术
脑卒中(中风)是一种由于脑部血管突然破裂或因血管堵塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一种急性脑血管疾病，通常由高血压、吸烟等原因诱发。近些年已经逐渐上升为我国第一大死亡病因。全球每年有新增1500万人遭受着中风的痛苦，其中约三分之一的病例在中国。中风造成的运动障碍、语言障碍给医护人员和家庭造成了极大的负担。
近些年，由烟草、高血压等诱发的脑卒中(中风)已经成为世界第三大疾病，尤其是在中国有十分多的病例。脑卒中会导致大脑神经回路异常，无法正常控制肢体肌肉，进而引起瘫痪、失语等症状。大量的患者不仅给医生造成了困难，更给家庭带了极大的负担。因此，脑卒中术后如何提升患者的生活质量以及进行针对性的康复训练成了亟待解决的问题。
对于神经损伤较严重的患者，通常会采用大幅度的康复训练动作。而对于神经损伤程度相对较低的患者，利用如木插板等设备进行辅助帮助其恢复一些对精细动作的感知。但在这两种情况下，常见的方式皆为由康复治疗师指导或辅助患者进行康复训练。这种方法通过驱动患者肢体活动来刺激神经末端来起到一定程度上的恢复作用。但这种方式是被动而忽略了神经机制这一闭环的，其康复效果也并不是很优良。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，通过运动想象下的脑电图确认用户意图，带动执行端机器人装置辅助用户配合木插板进行精细化康复，提升康复效率。
为了解决上述问题，本发明提供的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，包括用户模块、数据处理模块和执行端模块；
所述用户模块与数据处理模块相连，用于给用户提示训练所需的运动想象模式，在运动想象的过程中同步采集用户的脑电图，并将脑电图信号传输给数据处理模块；
所述数据处理模块与执行端模块相连，在接收到用户模块输入的原始脑电图信号后，进行带通滤波预处理提取出低噪声干扰的运动想象样本段，并对样本进行空间特征提取以得到更易于分类的表征，然后对这些表征进行分类，通过脑电图样本获知表征对应的运动想象类别，并将运动想象类别转化为控制命令输入执行端模块；
所述执行端模块接受到控制命令后控制机器人平台按照用户的运动意图辅助其进行对应的康复动作训练。进而构成完整过程，即根据用户的运动意图辅助其进行对应的康复动作训练。
采用上述技术方案，可以按照用户意图帮助其进行运动，达到了主动有意识的康复效果。相较于传统的利用被动运动来刺激神经末端的康复训练方法，可以从根本上促进提升运动感知能力，从而更好地帮助其进行康复训练，以达到更好的康复效果，大大减小对康复治疗师及陪护人员的负担。
进一步地，执行端模块还包括木插板工具，通过想象移动木棒时的肢体运动刺激大脑产生对应动作的脑电图。所述方案与传统的精细化康复工具木插板相结合，但直接利用用户意图辅助其进行主动、有意识的训练而非仅仅依赖于陪护人员进行被动训练。
进一步地，其中用户模块负责提示用户想象不同的运动模式，运动想象模式包括向前、向后、向左、向右移动小木棍(即为向前、向后、向左、向右进行患侧肢体移动)，同时利用脑电图采集设备同步采集运动想象下的脑电图信号。
进一步地，所述用于给用户提示训练所需的运动想象模式中，对用户的提示为利用图片进行示意。
进一步地，在对用户通过图片进行提示的同时，还通过声音提醒其开始想象。
用户端的提示为利用图片进行示意，且通过蜂鸣声提醒其开始想象，通过随机重复不同的运动想象模式，起到充分的训练效果。
进一步地，数据处理模块首先根据运动想象的时间段将原始脑电图分成多个样本，再对这些样本进行滤波预处理，从而提取出无高低频噪声干扰和工频干扰的纯净样本。之后利用共空间模型对原始信号进行了空间特征提取，通过矩阵变换的方式，将不同类别间的特征差异拉大，进而提高不同运动想象模式的可分性。最后对提取后的数据时间-空间表征进行分类。
进一步地，数据处理模块利用卷积神经网络模型构建了运动想象分类模型，利用二维卷积再次从空间域和时间域上提取深度表征，进而分出样本的运动想象类别。
进一步地，执行端模块包括机器人平台，机器人平台包括机械臂，机械臂末端固定设置有用于固定肢体的环状支撑件。
当检测到用户的运动想象时，利用环状支撑件来支撑用户肢体完成动作，同时提供动作模式的语音提示，以保证交互的友好性。
进一步地，系统中包含多种安全装置，包括三个急停按钮给系统操作人员、康复治疗辅助人员和用户健侧使用(可视用户情况和状态安排不同数量的陪护人员)。
进一步地，同在机器人装置上设置了力传感器，当阻力大于50N时则自动停止，以保证用户的安全。
进一步地，利用Brain Products Recorder软件及Python语言进行数据的实时采集和同步，用Python进行空间特征提取和运动想象分类模型的构建、用TCP协议完成用户端到执行端的信息传输，用ROS系统实现机器人控制。
与现有技术相比，本发明至少包括如下有益效果：
(1)传统康复训练通过由康复治疗师或陪护人员辅助患者进行一些肢体动作，但由于其本质上只是通过这种方式反向刺激神经，因而康复效果相对缓慢。而本发明按照用户的运动意图来辅助驱动其肢体，从主观上促进大脑和肢体间神经闭环的重建及修复，可以以从根本上促进提升运动感知能力，从而更好地帮助其进行康复训练，以达到更好的康复效果，大大减小对康复治疗师及陪护人员的负担。
(2)借助木插板，可以更高效地帮助神经损伤较低的患者提升精细化运动能力。
(3)本发明将脑机接口技术和机器人技术结合起来并应于与辅助有神经疾病的患者进行康复训练，一方面能提高康复效率，另一方面也能大大减轻治疗师、陪护人员及家人的负担。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统过程示意图。
图2为结合木插板实现的四种运动想象动作示意图。
图3为用户进行训练时的示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，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。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，都是本发明保护的范围。
本发明提供的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，用户借助本系统能够进行主动、有意识的康复训练。所述训练包括用户模块、数据处理模块和执行端模块。
用户模块与数据处理模块相连，用户模块用于在训练时提示用户当前随机给出的运动想象模式，并用于通过图像显示提示并同步采集运动想象下用户的脑电图，并将脑电图信号传输给数据处理模块。
在本发明其中一个实施例中，在给用户提示运动想象模式时，是利用图片进行示意，且通过蜂鸣声提醒其开始想象，通过随机重复不同的运动想象模式，起到充分的训练效果。具体的，用户模块会随机显示四种运动想象模式之一的图片作为提示，从而在一个时间段内持续进行康复训练。
在本发明其中一个实施例中，直接利用用户意图辅助其进行主动、有意识的训练而非仅仅依赖于陪护人员进行被动训练。具体的，是结合康复设备木插板的运动方式，通过想象移动木棒时的肢体运动刺激大脑产生相应的脑电图。在用户模块，如图2所示，设置了向前运动、向后运动、向左运动、向右运动四种模式，通过想象这四种模式刺激大脑产生对应的脑电图。本发明中，通过移动小木棒到木板上的不同位置以提升偏瘫患者的精细化运动能力。
在本发明其中一个实施例中，进行脑电图信号采集时，用户模块提示用户想象不同的运动想象模式，包括向前、向后、向左、向右移动小木棍(即为向前、向后、向左、向右进行患侧肢体移动)中的任意一种，同时利用脑电图采集设备同步采集运动想象下的脑电图信号。
数据处理模块与执行端模块相连，其中数据处理模块用于对用户模块中采集的原始脑电图信号数据进行处理，所述数据处理包括：对原始脑电图信号进行预处理以提取出低噪声干扰的运动想象样本段；对运动想象样本段进行空间特征提取以得到差异性更大的表征；对所述表征进行分类，从而获知运动想象类别，最终将运动想象类别转化为对应的运动控制命令输入执行端模块。
在本发明其中一个实施例中，在数据处理模块中，首先根据运动想象的时间段将原始脑电图分成多个样本，再对这些样本进行滤波预处理，从而提取出无高低频噪声干扰和工频干扰的较纯净样本。之后利用共同空间模型对原始信号进行空间特征提取，通过矩阵变换的方式，将不同类别间的特征差异拉大，进而提高不同运动想象模式的可分性。最后对提取后的数据时间-空间表征进行分类。
在本发明其中一个实施例中，利用卷积神经网络构建运动想象分类模型，所述运动想象分类模型利用时间维度和空间维度两种卷积层或二维卷积层从空间域和时间域上提取与类别信息相关的深度表征，进而利用全连接层分出样本的运动想象类别。
执行端模块用于接受到控制命令后控制机器人平台按照用户的运动意图辅助用户进行对应的康复动作训练，即执行端借助机器人平台帮助用户执行意图对应的动作，辅助进行康复训练。
在本发明其中一个实施例中，在数据处理模块对原始的脑电图进行滤波降噪的预处理后，通过共同空间模型的矩阵变换提高不同类别脑电图的空间差异性，进而将原始的脑电图信号转换成时间-空间特征的表征以便于分出不同的类别。之后，利用卷积神经网络构建的运动想象分类模型提取脑电图在时间维度和空间维度的深度表征，最终分出不同的意图，即不同的想象动作，以判定出的用户意图作为执行端的控制命令。
在本发明其中一个实施例中，机器人平台以一个六轴臂为核心，机器人平台的机器人末端固定设置有用于固定肢体的环状支撑件。当检测到用户的运动想象时，利用其末端的环状支撑件来支撑用户肢体完成动作，同时提供动作模式的语音提示，以保证交互的友好性。
在本发明其中一个实施例中，如图3的实际操作过程中首先对不同提示下采集到的原始脑电图信号进行数据处理，分类出依托于木插板的运动想象模式，从而实现用户意图检测。之后将运动意图转化为相应的控制命令通过TCP协议传输到执行端模块。当命令传输到执行端模块时，机器人平台和环状支撑件辅助用户在木插板上执行相应的向前、向后、向左、向右移动，用户在语音提示下进行动作。
在本发明其中一个实施例中，训练系统还分别设置了三个急停按钮供系统操作人员、康复治疗辅助人员和用户健侧使用(可视用户情况和状态安排不同数量的陪护人员)。
在本发明其中一个实施例中，还在机器人平台上设置了力传感器，当阻力大于50N时则自动停止，以保证用户的安全。
在本发明其中一个实施例中，利用Brain Products系列的Recorder软件及Python语言进行数据的实时采集和同步，用Python进行空间特征提取和运动想象分类模型、用TCP协议完成了用户端到执行端的信息传输，用ROS系统实现了机器人控制。
本发明按照用户主观意识来辅助驱动其肢体，从主观上促进大脑和肢体间神经闭环的重建及修复，借助木插板，可以帮助神经损伤较低的患者提升精细化运动能力。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于,包括用户模块、数据处理模块和执行端模块；
所述用户模块与数据处理模块相连，用于给用户提示训练所需的运动想象模式，在运动想象的过程中同步采集用户的脑电图，并将脑电图信号传输给数据处理模块；
所述数据处理模块与执行端模块相连，在接收到用户模块输入的原始脑电图信号后，进行带通滤波预处理提取出运动想象样本段，并对样本进行空间特征提取以得到表征，然后对这些表征进行分类，通过脑电图样本获知表征对应的运动想象类别，并将运动想象类别转化为控制命令输入执行端模块；
所述执行端模块接受到控制命令后控制机器人平台按照用户的运动意图辅助其进行对应的康复动作训练。
2.根据权利要求1所述的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，执行端模块还包括木插板工具，通过想象移动木棒时的肢体运动刺激大脑产生对应动作的脑电图。
3.根据权利要求1所述的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，在使用过程中随机重复不同的运动想象模式，所述运动想象模式包括想象向前、向后、向左、向右进行患侧肢体的移动。
4.根据权利要求1所述的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，所述用于给用户提示训练所需的运动想象模式中，对用户的提示为利用图片进行示意。
5.根据权利要求4所述的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，在对用户通过图片进行提示的同时，还通过声音提醒其开始想象。
6.根据权利要求1所述的一种利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，在数据处理模块首先根据运动想象的时间段将原始脑电图分成多个样本，再对这些样本进行滤波预处理，提取出无高低频噪声干扰和工频干扰的较纯净样本；之后利用共同空间模型对原始信号进行空间特征提取；最后对提取后的数据时间-空间表征进行分类。
7.根据权利要求1所述的利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，利用卷积神经网络构建运动想象分类模型，所述运动想象分类模型利用二维卷积从空间域和时间域上提取深度表征，分出样本的运动想象类别。
8.根据权利要求1所述的利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，所述机器人平台的机器人末端固定设置有用于固定肢体的环状支撑件。
9.根据权利要求1所述的利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，还分别设置了三个急停按钮供系统操作人员、康复治疗辅助人员和用户健侧使用。
10.根据权利要求1-9任一所述的利用运动想象脑电图检测的辅助康复训练系统，其特征在于，利用Brain Products Recorder软件及Python语言进行数据的实时采集和同步，用Python进行空间特征提取和运动想象分类模型的构建、用TCP协议完成用户端到执行端的信息传输，用ROS系统实现机器人控制。
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