振动触发设备、手指抬起装置及触感手指运动康复系统

振动触发设备、手指抬起装置及触感手指运动康复系统
1.本申请是申请日为2016年11月25日、申请号为201611061234.2、题为“基于脑机接口的触感手指运动康复系统及方法”的分案申请。
技术领域
2.本发明属于运动康复技术领域，涉及一种运动康复系统，尤其涉及振动触发设备、手指抬起装置及基于脑机接口的触感手指运动康复系统。


背景技术：

3.辅助设备涉及到脑
‑
机接口(brain computer interface)技术。该技术于1970年代由jacques vidal的研究拉开序幕，在1999年的第一届脑
‑
机接口国际会议上做出了如下定义：“脑
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计算机接口是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统”(译文)，简单的说，用意念来控制外围设备。现今的脑
‑
机接口通常有如下组件，视觉诱发设备(可选)，大脑活动信号提取设备，信号处理设备，外围被控制设备。
4.本发明运用到基于p300电位的脑
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机接口。p300电位是事件相关电位(event related potential,erp)的一种。人受到外界刺激后的大致300ms，在大脑相关区域产生的正向电位波动。该电位可以由视觉，听觉，触觉等多种感官刺激诱发。该刺激需是小概率事件，如果刺激过于频繁会影响p300的质量。采用视觉p300为基础的脑
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机接口打字机系统于1988年被第一次提出。在该类脑
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机接口中，视觉刺激的图案，刺激的闪烁序列，以及界面布局都对系统的表现有影响。
5.运动想象也是脑
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机接口中常用的范式，当人想象自己操作某个肢体运动，(该肢体却没有真正地产生动作)，会在大脑的相关区域检测到匹配的电活动，通过检测脑电波来，判断使用者所想象的是哪个肢体。
6.通常使用的大脑活动信号为eeg(electroencephalography)，通过电极于大脑头皮外侧采集，是一种非入侵的方式。该采集方式在信号分辨率，成本和实用性方面具有优势。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是：提供一种振动触发设备、手指抬起装置和包括它们的触感手指运动康复系统，使用脑
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机接口技术，让使用者通过想象，就能直接控制手指抬起；这种直观地的设计，利于使用者更好地参与其中；有助于大脑形成控制回路，帮助其更快康复。
8.根据本发明的第一方面，提供了一种振动触发设备，包括：p300诱发设备，采用微动马达产生振动，诱发和触觉有关的p300信号，其中所述设备分为2套各5个振动单元，在使用中，10个振动单元被按照次序分别固定在使用者的10根手指上。
9.根据本发明的第二方面，提供了一种手指抬起装置，其中所述手指抬起装置具有5个抬起支架，分别通过各自的拉伸装置连接5根手指，其中所述抬起支架用来将使用者的手
指向上抬起，所述手指抬起装置会按照上位机发出的命令，来控制某一根手指做出抬起动作。
10.根据本发明的第三方面，提供了一种手指抬起装置，其中所述手指抬起装置具有5个抬起支架，分别控制5套拉伸装置，每一套拉伸装置与一根手指相连接，其中当抬起装置收到上位机命令，控制相应的抬起支架做出抬起动作，所述抬起支架通过所述拉伸装置将对应手指向上抬起；抬起动作结束后，抬起支架和拉伸装置返回原位，使用者的手指自然返回原位。
11.根据本发明的第四方面，提供了一种基于脑机接口的触感手指运动康复系统，其特征在于，所述系统包括：上述振动触发设备；信号采集设备，所述信号采集设备采集头皮处的脑电活动，将采集到的模拟信号转化成数字信号，通过usb端口传输到信号处理模块；信号处理模块，所述信号处理模块用以：实时分析采集到的数据，其中脑电波数据从信号采集设备输入到信号处理模块，信号处理模块对数据进行巴特沃兹带通滤波，特征提取，最后利用贝叶斯线性分类器进行分类；并且控制实验流程，所述信号处理模块同时作为上位机，控制整个实验流程，采集脑电信号，输出控制振动的命令，输出控制手指抬起装置的命令；以及两套上述手指抬起装置，分别固定在使用者的两个手背上。
12.较佳地，所述触感手指运动康复系统被配置成执行以下步骤：
13.步骤s1、振动刺激控制步骤；
14.需要振动刺激时，数据处理模块按照固定时间间隔，逐个发送序列中的指令，振动刺激诱发模块接收命令后，启动相应手指上的振动装置；
15.步骤s2、运动想象信号识别步骤；
16.使用者开始想象抬起某一个手运动；从开始后，设定时间内的脑电信号被记录；对数据进行预处理；分类器根据离线数据做出的模型，分类出使用者所想象的手；以及
17.步骤s3、在线p300信号处理步骤；
18.每一个振动刺激出现后，数据处理程序将接收到的数据存放在缓存中；当紧接着某个刺激设定时间的数据被记录下后，程序开始处理数据；对数据进行预处理；分类器根据利用离线数据得到的模型，进行计算，得出每个振动刺激对应分类系数；
19.当5根手指都收到振动刺激后，每个刺激都有对应的分类系数，从中选出最大的一个分类系数，其所代表的手指为目标手指；如果连续的两次得出的手指都相同，该手指作为控制信号输出，同时暂停振动刺激。
20.优选地，在步骤s1中，在系统开始工作前，数据处理模块将按如下规则计算振动刺激出现的次序；(1)同一个位置不能连续出现振动刺激2次；(2)所有5个手指上刺激必须出现，而且仅出现一次，完成一个组；之后下一个组开始。
21.优选地，所述触感手指运动康复系统还被配置成在步骤s1与步骤s2之间执行：
22.步骤a、运动想象离线数据采集步骤，包括：
23.‑
步骤a1、使用者接收指令，想象左手还是右手；
24.‑
步骤a2、使用者想象左手或者右手抬起，持续若干秒；
25.‑
步骤a3、想象结束，如果采集没有结束，转到步骤a1，直到采集到足够多的数据；
26.步骤b、p300振动数据采集步骤，包括：
27.‑
步骤b1、使用者接收指令，数哪一根手指上的振动；
28.‑
步骤b2、10个手指上的马达会按照一定次序振动；
29.‑
步骤b3、当被要求的马达振动时，使用者在心中默数振动次数；
30.‑
步骤b4、其他手指上马达振动时候，使用者不用关心；
31.‑
步骤b5、当马达振动一定次数之后，停止振动；
32.‑
步骤b6、返回步骤b1，直到收集完足够多的数据；以及
33.步骤c、运动想象和p300的离线数据被用来训练各自的分类模型，以供在线使用中识别脑电信号。
34.较佳地，所述信号采集设备通过usb端口传输到信号处理模块；
35.所述信号处理模块将对数据进行巴特沃兹带通滤波，特征提取，最后利用贝叶斯线性分类器进行分类。
36.本发明的有益效果在于：本发明提出的基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统及方法，使用脑
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机接口技术，让使用者通过想象，就能直接控制手指抬起。这种直观地的设计，利于使用者更好地参与其中。有助于大脑形成控制回路，帮助其更快康复。
37.本发明结合运动想象和p300范式，利用运动想象来确定左右手，p300来确定具体手指，在准确度和速度之间找到平衡。本发明利用振动单元产生触觉相关的p300信号，不需要视觉参与，可以帮助视觉有困难的使用者进行恢复。
附图说明
38.图1为本发明手指运动康复系统的运动康复系统的组成示意图。
39.图2为本发明手指运动康复系统的运动康复方法的流程图。
40.图3为本发明手指运动康复系统的使用示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
42.实施例一
43.请参阅图1、图3，本发明揭示了一种基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统，所述运动康复系统包括：振动触发设备1，信号采集设备2，信号处理模块3，手指抬起装置4。
44.所述振动诱发设备为p300诱发设备，采用微动马达产生振动，诱发和触觉有关的p300信号；该设备分为2套各5个振动单元；使用中，10个单元被按照次序，分别固定在使用者的10根手指上。
45.所述信号采集设备采集头皮处的脑电活动，将采集到的模拟信号转化成数字信号，通过usb端口传输到信号处理模块。
46.所述信号处理模块用以实时分析采集到的数据；脑电波数据从信号采集设备输入到信号处理模块，信号处理模块对数据进行巴特沃兹带通滤波，特征提取，最后利用贝叶斯线性分类器进行分类。
47.所述信号处理模块同时用以控制实验流程；信号处理模块同时作为上位机，控制整个实验流程，采集运动想象信号，输出控制振动的命令，输出控制手指抬起装置的命令。
48.所述手指抬起装置包括两套，分别固定在使用者的两个手背上，每一套装置有5个抬起支架，分别通过各自的拉伸装置连接5根手指；抬起支架用来将使用者的手指向上抬
起；手指抬起装置会按照上位机发出的命令，来控制某一根手指做出抬起动作。
49.一种利用上述基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统的运动康复方法，请参阅图2，所述运动康复方法包括如下步骤：
50.【步骤s1】振动刺激控制步骤；
51.在系统开始工作前，数据处理模块将按如下规则计算振动刺激出现的次序；(1)同一个位置不能连续出现振动刺激2次；(2)所有5个手指上刺激必须出现，而且仅出现一次，完成一个组；之后下一个组开始；
52.需要振动刺激时，数据处理模块按照固定时间间隔，逐个发送序列中的指令，振动刺激诱发模块接收命令后，启动相应手指上的振动装置；
53.【步骤a】运动想象离线数据采集步骤，包括：
54.‑
步骤a1、使用者接收指令，想象左手还是右手；
55.‑
步骤a2、使用者想象左手或者右手抬起，持续若干秒；
56.‑
步骤a3、想象结束，如果采集没有结束，转到步骤a1，直到采集到足够多的数据；
57.【步骤b】p300振动数据采集步骤，包括：
58.‑
步骤b1、使用者接收指令，数哪一根手指上的振动；
59.‑
步骤b2、10个手指上的马达会按照一定次序振动；
60.‑
步骤b3、当被要求的马达振动时，使用者在心中默数振动次数；
61.‑
步骤b4、其他手指上马达振动时候，使用者不用关心；
62.‑
步骤b5、当马达振动一定次数之后，停止振动；
63.‑
步骤b6、返回步骤b1，直到收集完足够多的数据。
64.【步骤c】运动想象和p300的离线数据被用来训练各自的分类模型，以供在线使用中识别脑电信号。
65.【步骤s2】运动想象信号识别步骤；
66.使用者开始想象抬起某一个手运动；从开始后，一段时间内的脑电信号被记录；对数据进行预处理；分类器根据离线数据做出的模型，分类出使用者所想象的手。
67.【步骤s3】在线p300信号处理步骤；
68.每一个振动刺激出现后，数据处理程序将接收到的数据存放在缓存中；当紧接着某个刺激的800ms的数据被记录下后，程序开始处理数据；对数据进行预处理；分类器根据利用离线数据得到的模型，进行计算，得出每个振动刺激对应分类系数；
69.当5根手指都收到振动刺激后，每个刺激都有对应的分类系数，从中选出最大的一个分类系数，其所代表的手指为目标手指；如果连续的两次得出的手指都相同，该手指作为控制信号输出，同时暂停振动刺激；
70.基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统的使用步骤如图2所示：系统开始，使用者接收到指令(比如：左手食指)，并想象自己的左手抬起(实际上身体各部位都没有动)；系统分析采集到的脑电信号；系统识别出使用者想象的是左手；系统控制左手上的五个刺激装置，按照一定次序，在相应时间振动；使用者在心中默数振动刺激出现在左手食指的次数；系统分析采集到的脑电信号，识别出使用者关注的是食指；系统发送命令，控制抬起设备，使左手食指抬起。
71.实施例二
72.一种基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统，所述运动康复系统包括：振动触发设备，信号采集设备，信号处理模块，手指抬起装置。
73.所述振动诱发设备包括若干振动单元，用来触发振动信号。所述信号采集设备采集头皮处的脑电活动，将采集到的模拟信号转化成数字信号，传输到信号处理模块。
74.所述信号处理模块用以实时分析采集到的数据；脑电波数据从信号采集设备输入到信号处理模块，信号处理模块对数据进行滤波、特征提取、分类；所述信号处理模块同时用以控制实验流程；信号处理模块同时作为上位机，控制整个实验流程，采集运动想象信号，输出控制振动的命令，输出控制手指抬起装置的命令。
75.所述手指抬起装置分别固定在使用者的两个手背上，每一套装置有若干抬起支架，分别通过各自的拉伸装置连接对应手指；抬起支架用来将使用者的手指向上抬起；手指抬起装置会按照上位机发出的命令，来控制某一根手指做出抬起动作。
76.本发明还揭示一种利用上述基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统的运动康复方法，所述运动康复方法包括如下步骤：
77.步骤s1、振动刺激控制步骤；
78.需要振动刺激时，数据处理模块按照固定时间间隔，逐个发送序列中的指令，振动刺激诱发模块接收命令后，启动相应手指上的振动装置。
79.步骤s2、运动想象信号识别步骤；
80.使用者开始想象抬起某一个手运动；从开始后，设定时间内的脑电信号被记录；对数据进行预处理；分类器根据离线数据做出的模型，分类出使用者所想象的手。
81.步骤s3、在线p300信号处理步骤；
82.每一个振动刺激出现后，数据处理程序将接收到的数据存放在缓存中；当紧接着某个刺激设定时间的数据被记录下后，程序开始处理数据；对数据进行预处理；分类器根据利用离线数据得到的模型，进行计算，得出每个振动刺激对应分类系数；
83.当5根手指都收到振动刺激后，每个刺激都有对应的分类系数，从中选出最大的一个分类系数，其所代表的手指为目标手指；如果连续的两次得出的手指都相同，该手指作为控制信号输出，同时暂停振动刺激。
84.综上所述，本发明提出的基于脑
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机接口的触感手指运动康复系统及方法，使用脑
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机接口技术，让使用者通过想象，就能直接控制手指抬起。这种直观地的设计，利于使用者更好地参与其中。有助于大脑形成控制回路，帮助其更快康复。
85.本发明结合运动想象和p300范式，利用运动想象来确定左右手，p300来确定具体手指，在准确度和速度之间找到平衡。本发明利用振动单元产生触觉相关的p300信号，不需要视觉参与，可以帮助视觉有困难的使用者进行恢复。
86.这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。