一種純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及人機交互領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能 評價系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[000引腦-機接口炬CI)是一種不依賴于大腦外圍神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制 系統(tǒng)。目前的研究成果中，它主要是通過采集和分析不同狀態(tài)下人的腦電信號，然后使用一 定的工程技術(shù)手段在人腦與計算機或其它電子設(shè)備之間建立起直接的交流和控制通道，從 而實現(xiàn)一種全新的信息交換與控制技術(shù)即可W不需語言或肢體動作，直接通過控制腦電來 表達意愿或操縱外界設(shè)備?，F(xiàn)有的腦-機接口中，運動想象是一種基于純意念的范式。
[0003] 在不做實際動作，而只進行運動想象時，其腦電信號在對應的大腦皮層感覺運動 區(qū)出現(xiàn)與實際運動相似的邸D(事件相關(guān)去同步電位）/ERS(事件相關(guān)同步電位）現(xiàn)象。 P^dscheller等人研究表明[1]，單邊的肢體運動或想象運動時，大腦對側(cè)a和P頻譜 產(chǎn)生ERD，大腦同側(cè)則產(chǎn)生邸S。該不但證實了動作想象與實際動作是通過相同腦結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 的，同時更為BCI研究提供了一種新的途徑?；谶\動想象的腦-機接口不僅能夠提供控 制外部設(shè)備的指令和與外界環(huán)境溝通的途徑，而且能夠從一些方面上反映人腦的神經(jīng)運動 感覺功能。
[0004] 腦皮層的不同生理狀態(tài)能使腦電圖的波形發(fā)生不同的變化。當大腦皮層某區(qū)域開 始激活，該區(qū)域的代謝和血流增加，同時進行的信息加工可W導致腦電波某些頻段信號幅 度減低或者阻滯，即頻帶能量降低，該一電生理現(xiàn)象稱作ERD ;與之相反，EEG某些頻段在大 腦靜息或惰性狀態(tài)下表現(xiàn)出明顯波幅增高的電活動，即頻帶能量升高，將其稱為ERS。
[0005] 事件相關(guān)去同步與同步是實際運動或想象運動下引起的大腦皮層運動中樞中大 量神經(jīng)元活動的改變，是一種內(nèi)源性誘發(fā)響應，是真正通過使用者主觀運動意識誘發(fā)的腦 電信號，能夠直接反映使用者的主觀運動意識。運動神經(jīng)康復的研究表明，基于想象動作的 BCI能夠建立接近于原有損傷信道路的人工神經(jīng)通路，是肢體運動功能重建的有力條件。不 同肢體部位的想象運動所激活的大腦運動皮層功能區(qū)互不相同，通過記錄、分析不同想象 動作誘發(fā)的腦電信號特征，則可預測出正在進行想象作業(yè)的肢體部位（如手部或足部）。
[0006] 功能性電刺激（F^mctional Electrical Stimulation,陽巧是通過某種特定的電 流、電壓等電信號脈沖序列來刺激肢體運動肌群及其外周神經(jīng)，W達到有效地恢復肌肉活 性并重建部分運動功能。而神經(jīng)肌肉電刺激（Neuromus州lar Electrical Stimulation， NME巧是通過完整的周圍神經(jīng)系統(tǒng)傳導電流，W引起肌肉收縮的一種電刺激方法，通常在較 高的頻率范圍（20-50化）能夠產(chǎn)生明顯的肌肉強直和收縮，從而起到恢復肌肉活性和功能 的目的。
[0007] 現(xiàn)實生活中的一些操作和活動復雜，完成一項具體的動作任務需要較多的步驟和 不同的操作流程。例如：輔助抓握水杯喝水，在不考慮移動速度和抓握程度的情況下需要完 成移動和抓握兩種基本功能，因此，簡單肢體動作想象不足W匹配用戶完成日常生活中某 一特定的任務中的動作。而且日常的活動和任務一般可w分解為固定的步驟來完成。因此， 復合肢體想象動作和連續(xù)動作序列想象動作較為符合真實的日常操作活動，基于此模式的 想象動作控制的神經(jīng)肌肉電刺激在某種程度上能夠更好地恢復肌肉活性和功能。因此基于 復合肢體想象動作W及連續(xù)動作序列想象的純意念控制是未來新概念控制發(fā)展的趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供了一種純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)，本發(fā)明與傳 統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，更適用于現(xiàn)實的生活場景，更能夠發(fā)揮大腦各運動功能區(qū)相互整合和 協(xié)同關(guān)系的主觀運動意識和腦-肌控制機能，詳見下文描述：
[0009] 一種純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)，所述純意念神經(jīng)肌肉電刺 激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)包括；信號采集模塊、信號處理模塊和指令控制模塊，
[0010] 所述信號采集模塊，用于對輸入腦電和其他生理信號進行實時采集；
[0011] 所述信號處理模塊，用于讀取腦電信號，通過共空間模型算法進行特征提取，并通 過支持向量機對特征數(shù)據(jù)進行模式識別獲取決策值；根據(jù)決策值和決策值闊值范圍，判斷 出意念想象模式并發(fā)送到指令控制模塊；
[0012] 所述指令控制模塊，用于將意念想象模式轉(zhuǎn)換為觸發(fā)神經(jīng)肌肉電刺激器開關(guān)，對 用戶肢體部位進行神經(jīng)肌肉電刺激。
[0013] 所述純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)還包括：
[0014] 所述信息反饋模塊，通過源定位分析的方法對腦電數(shù)據(jù)進行分析處理，并結(jié)合分 析結(jié)果及信號的時頻特征對用戶的感覺運動功能和肢體神經(jīng)機能做出評價，并將評價結(jié)果 實時地反饋給用戶。
[0015] 所述通過共空間模型算法進行特征提取，并通過支持向量機對特征數(shù)據(jù)進行模式 識別獲取決策值的操作具體為：
[0016] 讀取實時的數(shù)據(jù)，從第二秒開始正式進入到數(shù)據(jù)處理階段，新來的數(shù)據(jù)包達到Is 長度時，進行一次數(shù)據(jù)處理分析，即每秒都會進行一次數(shù)據(jù)處理分析；
[0017] 處理數(shù)據(jù)時，截取當前時刻前2s的腦電數(shù)據(jù)，利用共空間模型算法得到相應的特 征數(shù)據(jù)，將特征數(shù)據(jù)送到訓練好的分類器中進行模式識別，得到?jīng)Q策值。
[0018] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是；本發(fā)明引入了復合肢體想象動作和連續(xù)動 作序列想象動作的意念控制范式，在某種程度上拓展了意念控制系統(tǒng)的適用環(huán)境和神經(jīng)機 能。其穩(wěn)定性較高、適應性較強的優(yōu)勢為意念控制系統(tǒng)進入大范圍的應用階段奠定了基礎(chǔ)。 有望獲得可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0019] 圖1為一種純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為信號采集模塊的示意圖；
[0021] 圖3為數(shù)據(jù)的提取和處理流程示意圖；
[0022] 圖4為指令控制模塊界面示意圖；
[0023] 圖5為信息反饋模塊的顯示界面示意圖；
[0024] 圖6為純意念神經(jīng)肌肉電刺激控制與神經(jīng)功能評價系統(tǒng)的操作流程圖；
[0025] 圖7為運動想象離線訓練流程示意圖；
[0026] 圖8為基于運動想象腦機接口的模型優(yōu)化策略示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步 地詳細描述。
[002引在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出了基于復合肢體想象動作W及連續(xù)動作序列想象的純 意念控制系統(tǒng)。設(shè)及大腦皮層運動區(qū)兩種或W上肢體部位的協(xié)同動作想象則定義為復合肢 體想象動作，而多種簡單或復雜肢體動作的順序想象則稱為連續(xù)動作序列想象動作。從近 幾年的發(fā)展可知，基于想象動作的腦-機接口已逐漸向著更為復雜的各肢體部位協(xié)同運動 想象的方向發(fā)展。相對于簡單肢體想象動作，復合肢體想象動作和連續(xù)動作序列想象動作 更貼近于使用者的日常生活習慣，W及人腦復雜的思維模式。其直接反映了在復雜的慣常 運動思維狀態(tài)下，大腦各運動功能區(qū)相互整合和協(xié)同關(guān)系的主觀運動意識。
[0029] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明設(shè)計了基于復合肢體想象動作W及連續(xù)動作 序列想象動作的純意念控制系統(tǒng)。設(shè)定兩種不同的意念模式（想象某一肢體部位產(chǎn)生的 動作和不想象放松兩種模式），當系統(tǒng)識別出用戶執(zhí)行想象動作模式時，則對神經(jīng)肌肉電刺 激模塊發(fā)送控制指令從而