CN209203949U - 基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于运动相关皮层电位的下肢外骨骼康复训练系统，包括视觉提示反馈模块、脑电信号采集模块、足背屈信号采集模块、运动相关皮层电位信号处理模块、运动相关皮层电位模板匹配模块和下肢康复外骨骼模块。本实用新型视觉提示反馈模块用于显示力轨迹图线，引导进行足背屈任务，运动相关皮层电位信号处理模块对存储的脑电信号和足背屈信号进行处理，提取运动相关皮层电位模板，运动相关皮层电位模板匹配模块根据运动相关皮层电位模板对使用者的运动意图进行实时匹配并用于控制下肢康复外骨骼模块，匹配程度越高则下肢康复外骨骼活动角度越大，相比对运动想象脑电事件相关同步/去同步能量的分析，效果更好，机制也较为自然。

Description

基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统

技术领域

本实用新型涉及康复医疗与工程器械领域，特别是涉及一种基于运动皮层相关电位脑机接口的下肢外骨骼康复系统及方法。

背景技术

下肢康复在脑卒中患者单侧肢体运动功能受损后的康复过程中起到了至关重要的作用。下肢康复方法包括传统康复方法、运用康复机器人方法、基于脑机接口的方法等。传统的康复方法包括运动疗法、康复师按摩等；近年来出现了运用康复机器人的方法包括下肢外骨骼、下肢康复机器人等。但是传统的康复方法效率较低，给康复师和患者均造成了较大的负担。另一方面，传统康复方法和运用康复机器人的方法均为患者被动参与的康复过程，本质上只是在肌肉层面上的复健，并没有增强神经-肌肉之间的联系。另外，部分康复机器人存在设备体积大、成本过高和不宜推广等问题。

基于脑机接口的康复技术是近年来逐渐发展起来的一种新型主动康复技术。该技术通过分析提取患者脑电信号中的运动意图信息，控制康复设备，作用于患者本身，从而建立起闭环系统。目前基于脑机接口的康复技术应用原理多基于对运动想象脑电事件相关同步/去同步 (ERD/ERS)能量的分析，但是目前本技术具有一定的缺点：1)对康复设备进行控制时的分类准确率不高：离运动起始点时间较近的时间范围内，利用ERD/ERS特征的系统分类准确率远不如利用运动皮层相关电位(MRCP)特征的分类准确率；2)对康复设备进行控制时机制自然性不够好：由于利用ERD/ERS特征的系统进行有效的判断需要离运动起始点更远，导致运动意图产生和运动实际执行的时间间隔较长；3)现有基于运动想象的脑机接口技术控制的自然性不足主要是该控制方法属于间接映射，往往不能反映真实的运动意图，特别是对于下肢运动特异性不强。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，是一种运用脑机接口主动康复技术的、采用运动皮层相关电位特征的脑机接口的下肢外骨骼康复训练系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，包括视觉提示反馈模块、脑电信号采集模块、足背屈信号采集模块、运动皮层相关电位信号处理模块、运动皮层相关电位模板匹配模块、下肢康复外骨骼模块；所述视觉提示反馈模块显示特定的轨迹，提示足背屈力的大小幅度；同时，所述脑电采集模块和足背屈信号采集模块分别对下肢运动时产生的脑电信号和足背屈力大小进行采集和存储；信号存储完毕后，所述运动皮层相关电位信号处理模块进行信号的离线处理以及运动皮层相关电位模板的提取；所述运动皮层相关电位模板匹配模块利用得到的模板对脑电信号进行实时模板匹配，生成下肢康复外骨骼模块所需的控制信号；所述下肢康复外骨骼模块在接收控制信号后按其指示驱动下肢完成特定的运动动作。

所述视觉提示反馈模块用于提示并实时显示当前应当执行的下肢动作任务强度以及时间；所述视觉提示反馈模块呈现一个背屈力轨迹来提示背屈任务的强度要求，任务的强度要求可以通过勾选数值来进行调整；所述视觉提示反馈模块用实时移动的箭头来提示当前任务的时间进度；所述视觉提示反馈模块用实时刷新的图线反馈使用者实际产生的背屈力大小。

所述脑电信号采集模块用于采集执行足背屈任务时产生的脑电信号；同时，所述脑电信号采集模块对采集到的脑电信号进行实时存储。

所述足背屈信号采集模块用于采集执行足背屈动作任务产生力的大小；同时，所述足背屈信号采集模块对采集到的足背屈力信号进行实时存储。

所述运动皮层相关电位信号处理模块用于利用采集到的脑电信号及足背屈信号，进行预处理并提取运动皮层相关电位脑电信号模板；其工作步骤如下：(1)预处理。对每个任务中采集到的脑电原始信号进行0.5Hz-40Hz带通滤波、独立成分分析、加权平均，得到预处理后信号。(2)确定动作起始点。对所述的预处理后信号前1s的平缓部分进行平均得到基线值，若连续200ms的预处理后信号完全超过所述基线值，那么这200ms信号的起始点就当做动作起始点。(3)运动相关皮层电位模板提取。所述模板通过平均所有任务的动作起始点前2s信号来提取。

所述运动相关皮层电位模板匹配模块用于通过脑电信号与模板的似然度判断表征下肢运动意图的运动皮层相关电位是否产生，判断结果用于控制下肢外骨骼。

所述下肢康复外骨骼模块用于驱动运动功能受损部位，辅助下肢康复。所述下肢康复外骨骼模块采用电机驱动模式，所述下肢外骨骼的活动角度由所述运动相关皮层电位模板匹配似然程度决定，匹配程度越高则活动角度越大。

本实用新型运用基于运动皮层相关电位脑机接口的下肢外骨骼康复训练系统的方法，包括以下步骤：

S1：使用者穿戴脑电采集设备，固定足背屈力传感器和下肢康复外骨骼，显示屏放置在使用者正前方的合适位置。

S2：S1中所述显示屏显示力轨迹图线，引导使用者进行足背屈动作强度和时间的适应并获取使用者的足背屈力参数，包括静息状态下足背屈力的大小和最大足背屈力的大小。

S3：下肢外骨骼康复系统进入训练阶段，显示屏显示视觉提示力轨迹图线和箭头以及足背屈力大小的实时反馈图线，使用者应尽量控制自己的足背屈力的幅度符合显示屏呈现的力的轨迹；脑电信号采集模块和足背屈信号采集模块同时分别对脑电信号和足背屈信号进行存储。

S4：下肢外骨骼康复系统的运动皮层相关电位信号处理模块对S3中存储的脑电信号和足背屈信号进行离线处理，通过带通滤波、独立成分分析、加权平均等方法得到运动相关皮层电位模板。

S5：下肢外骨骼康复系统进入康复阶段，显示屏显示力轨迹图线和箭头，运动皮层相关电位模板匹配模块通过实时计算使用者脑电信号与S4中所述运动相关皮层电位模板的似然比对使用者的运动意图进行实时检测，得到实时匹配结果用于S6。

S6：将S5中所述实时匹配结果用于控制下肢康复外骨骼模块，匹配程度越高则下肢康复外骨骼活动角度越大。

本实用新型提供一种基于运动相关皮层电位脑机接口的下肢外骨骼康复训练系统，包括视觉提示反馈模块、脑电信号采集模块、足背屈信号采集模块、运动相关皮层电位信号处理模块、运动相关皮层电位模板匹配模块和下肢康复外骨骼模块。本实用新型提供的主动康复系统和方法可实现中风患者大脑运动系统信号直接控制外骨骼等下肢康复设备的应用，发挥中枢训练诱发的大脑可塑性以及主动参在中风患者下肢康复过程中的重要作用，克服了传统的下肢康复方法缺乏中枢神经康复和主动参与等缺陷，实现了中枢-外周的联合协同康复，可以增强神经-肌肉之间的联系，提高中风康复效果。本实用新型提供的系统和方法具有系统分类准确高、控制方式自然等优点。

本实用新型的有益效果归纳为：

(1)本实用新型提供的主动康复系统和方法克服了传统的康复方法效率低、造成较大负担、设备体积大、成本高等缺陷，是患者主动参与的康复过程，是在神经-肌肉层面上共同的复健方法，可以增强神经-肌肉之间的联系。

(2)本实用新型中对下肢康复外骨骼的控制，基于对脑电信号的运动皮层相关电位特征的分析，相比于对运动想象脑电事件相关同步/去同步(ERD/ERS)能量的分析，效果更好，机制也较为自然。

视觉提示反馈模块用于显示力轨迹图线，引导使用者进行足背屈任务，运动相关皮层电位信号处理模块对存储的脑电信号和足背屈信号进行处理，提取运动相关皮层电位模板，运动相关皮层电位模板匹配模块根据运动相关皮层电位模板对使用者的运动意图进行实时匹配并用于控制下肢康复外骨骼模块，匹配程度越高则下肢康复外骨骼活动角度越大。

附图说明

图1为本实用新型的模块组成示意图。

图2为本实用新型的使用步骤流程图。

图3为本实用新型的视觉提示反馈模块界面。

图4为健康人的运动皮层相关电位特征。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

如图1所示，一种基于运动皮层相关电位脑机接口的下肢外骨骼康复训练系统，包括视觉提示反馈模块、脑电信号采集模块、足背屈信号采集模块、运动皮层相关电位信号处理模块、运动皮层相关电位模板匹配模块、下肢康复外骨骼模块；所述视觉提示反馈模块显示特定的轨迹，提示使用者足背屈的动作；同时，所述脑电采集模块和足背屈信号采集模块分别对使用者下肢运动时产生的脑电信号和足背屈力大小进行采集和存储；信号存储完毕后，所述运动皮层相关电位信号处理模块进行信号的离线处理以及运动皮层相关电位模板的提取；所述运动皮层相关电位模板匹配模块利用得到的模板对脑电信号进行实时模板匹配，生成康复设备的控制信号；所述下肢康复外骨骼模块在接收控制信号并按其指示进行下肢运动的驱动。

所述视觉提示反馈模块用于提示并实时显示使用者当前应当执行的下肢动作任务强度以及时间。该模块的用户界面可以通过按钮选择不同的足背屈动作强度提示，同时在界面上实时显示当前使用者的背屈力的幅度大小。

所述脑电信号采集模块用于采集使用者执行足背屈任务时产生的脑电信号。该模块可以借助通用的脑电采集硬件以及OpenVibe等脑电采集软件实现，脑电采集硬件通过电极线和电极帽与使用者头部进行连接，脑电采集软件可以对信号脑电进行实时采集、显示以及存储。

所述足背屈信号采集模块用于采集使用者执行足背屈动作任务产生力的大小。该模块基于薄膜等力传感器和单片机AD转换单元实现，使用者的足背屈力变化通过力传感器引起的电压变化输入单片机AD单元，转换为数字量进行实时采集和存储。

所述运动皮层相关电位信号处理模块用于利用采集到的脑电信号及足背屈信号，进行预处理并提取运动皮层相关电位脑电信号模板。该模块实现对脑电和足背屈信号进行离线的模板提取。

所述运动皮层相关电位模板匹配模块用于通过脑电信号与模板的似然度判断表征下肢运动意图的运动皮层相关电位是否产生，判断结果用于控制下肢外骨骼。该模块通过对脑电信号进行在线的模板匹配，获得控制命令。

所述下肢康复外骨骼模块用于驱动运动功能受损部位，辅助下肢康复。

实施例2

如图2所示，基于运动皮层相关电位脑机接口的下肢外骨骼康复训练系统的方法，包括以下步骤：

S1：使用者穿戴脑电采集设备，固定足背屈力传感器和下肢康复外骨骼，显示屏放置在使用者正前方的合适位置。

S2：如图3所示，S1中所述显示屏显示力轨迹图线，引导使用者进行足背屈动作强度和时间的适应并获取使用者的足背屈力参数，包括静息状态下足背屈力的大小和最大足背屈力的大小。

S3：下肢外骨骼康复系统进入训练阶段，显示屏显示视觉提示力轨迹图线和箭头以及足背屈力大小的实时反馈图线，使用者应尽量控制自己的足背屈力的幅度符合显示屏呈现的力的轨迹；脑电信号采集模块和足背屈信号采集模块同时分别对脑电信号和足背屈信号进行存储。

S4：下肢外骨骼康复系统的运动皮层相关电位信号处理模块对S3中存储的脑电信号和足背屈信号进行离线处理，通过带通滤波、独立成分分析、加权平均等方法得到运动相关皮层电位模板。

S5：下肢外骨骼康复系统进入康复阶段，显示屏显示力轨迹图线和箭头，运动皮层相关电位模板匹配模块通过实时计算使用者脑电信号与S4中所述运动相关皮层电位模板的似然比对使用者的运动意图进行实时检测，得到实时匹配结果用于S6。

S6：将S5中所述实时匹配结果用于控制下肢康复外骨骼模块，匹配程度越高则下肢康复外骨骼活动角度越大。

进一步，所述步骤S4包括以下子步骤：

S401:带通滤波。所述带通滤波步骤采用2阶巴特沃斯带通滤波器，通带频率范围为 0.5-40Hz。

S402：独立成分分析(ICA)。系统执行ICA算法，手动去除干扰较为严重的独立成分分量。

S403：加权平均。将各个通道的脑电信号加权平均。

S404：确定动作起始点。将加权平均后信号前1s的平缓部分进行平均得到基线值，若连续200ms的预处理后信号完全超过所述基线值，那么这200ms信号的起始点就当做动作起始点。

S405：运动相关皮层电位模板提取。如图4所示，通过平均所有任务的动作起始点前2s 信号提取运动相关皮层电位模板。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，包括视觉提示反馈模块、脑电信号采集模块、足背屈信号采集模块、运动皮层相关电位信号处理模块、运动皮层相关电位模板匹配模块、下肢康复外骨骼模块；所述视觉提示反馈模块显示特定的轨迹，提示足背屈力的大小幅度；同时，所述脑电采集模块和足背屈信号采集模块分别对下肢运动时产生的脑电信号和足背屈力大小进行采集和存储；信号存储完毕后，所述运动皮层相关电位信号处理模块进行信号的离线处理以及运动皮层相关电位模板的提取；所述运动皮层相关电位模板匹配模块利用得到的模板对脑电信号进行实时模板匹配，生成下肢康复外骨骼模块所需的控制信号；所述下肢康复外骨骼模块在接收控制信号后按其指示驱动下肢完成特定的运动动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述视觉提示反馈模块用于提示并实时显示当前应当执行的下肢动作任务强度以及时间；所述视觉提示反馈模块呈现一个背屈力轨迹来提示背屈任务的强度要求，任务的强度要求可以通过勾选数值来进行调整；所述视觉提示反馈模块用实时移动的箭头来提示当前任务的时间进度；所述视觉提示反馈模块用实时刷新的图线反馈实际产生的背屈力大小。

3.根据权利要求1所述的一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述脑电信号采集模块用于采集执行足背屈任务时产生的脑电信号，同时，所述脑电信号采集模块对采集到的脑电信号进行实时存储。

4.根据权利要求1所述的一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述足背屈信号采集模块用于采集执行足背屈动作任务产生力的大小，同时，所述足背屈信号采集模块对采集到的足背屈力信号进行实时存储。

5.根据权利要求1所述的一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述运动皮层相关电位信号处理模块用于利用采集到的脑电信号及足背屈信号，进行预处理并提取运动皮层相关电位脑电信号模板；其步骤如下：（1）预处理，对每个任务中采集到的脑电原始信号进行0.5Hz-40Hz带通滤波、独立成分分析、加权平均，得到预处理后信号；（2）确定动作起始点，对所述的预处理后信号前1s的平缓部分进行平均得到基线值，若连续200ms的预处理后信号完全超过所述基线值，那么这200ms信号的起始点就当做动作起始点；（3）运动相关皮层电位模板提取，所述模板通过平均所有任务的动作起始点前2s信号来提取。

6.根据权利要求1所述的一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述运动皮层相关电位模板匹配模块用于通过脑电信号与模板的似然度判断表征下肢运动意图的运动皮层相关电位是否产生，判断结果用于控制下肢外骨骼。

7.根据权利要求1所述的一种基于运动皮层相关电位的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述下肢康复外骨骼模块用于驱动运动功能受损部位，辅助下肢康复，所述下肢康复外骨骼模块采用电机驱动模式，所述下肢外骨骼的活动角度由所述运动皮层相关电位模板匹配模块的匹配似然程度决定，匹配程度越高则活动角度越大。