结合运动训练的多频段神经反馈方法及系统与流程

本发明属于康复并且针对脑神经损伤而导致运动功能障碍人群，具体涉及一种结合运动训练的多频段神经反馈方法及系统。

背景技术：

1、神经反馈是生物反馈的一种形式，通过实时向参与者以视觉，听觉或其他形式呈现所测量的神经活动，干预与行为相关的神经活动，以促进基于特定行为或病理的神经活动自我调节，进而恢复或增强相关功能。生物反馈训练技术呈现可被人体感知的生理信息，并以此作为信号标识，不断训练人体学习，调控自身固有或特殊神经机能，达到自主调节训练特定神经功能的目标。近年来，患者在医师指导下完成生物反馈训练，重新学会调节自身已丧失的控制或认知能力，已成为主动式康复训练的热点手段，其中，神经反馈训练作为一种直接训练大脑机能的主动式干预手段，通过传感装置实时获取神经生理信号，并借助先进的信息处理技术完成大脑信息的快速解码，匹配以视觉、触觉等多种刺激方式，构成脑机交互运动训练通路，可实现在线反馈大脑工作状态与运行性能的闭环训练。

2、专利cn102319067a涉及一种基于脑电信号的神经反馈训练仪，可将表征记忆力水平的脑电节律波呈现给用户，指导用户自主调节脑电节律波，达到改善记忆力水平的目的。专利cn101912255a涉及一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，通过功能磁共振在线检测大脑的激活状态，并实时反馈给受训练者,通过反复训练调控大脑的认知活动水平，提高或恢复受训者相应的认知功能。专利cn103040446a提供了一种基于光学脑成像的神经反馈训练系统和神经反馈训练方法，从光学脑成像神经活动数据中提取出大脑特定功能系统的神经活动强度指标作为反馈信息呈现给受训者，以使其特定功能系统的神经活动得到训练。

3、以上发明为脑功能和神经可塑性训练提供了新的途径，神经反馈干预下患者主动参与自我调节神经活动的重复性康复训练对于患者神经系统重建和运动功能恢复更加有效。但是以上发明只关注了脑信号中的神经相关成分，忽略了脑信号中复杂的多频段信息。人体内自发的近红外脑血氧波动信号，在不同的频率段有不同的生理性来源，包含了心跳活动、呼吸活动和神经活动等信息。尤其对于肢体运动功能障碍患者的运动功能训练，心跳与呼吸信息能够反应训练的能耗和强度，对于调节患者的训练策略至关重要。心率能够直接反应当下的心脏状况，是大脑和神经系统的功能在副交感神经系统中的体现，心率本身直接反映了身体对氧气的需求。在运动训练期间，当出现呼吸频率过高的时候，说明心率过快，意味着运动强度过大，长此以往容易造成心脏负荷过大；并且，呼吸频率过快一般也伴随呼吸较短浅的状况，这会导致吸氧不足、肌肉没有能量。因此，心率和呼吸频率是衡量人在训练过程中能量消耗或者训练强度的关键变量。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的是提供一种结合运动训练的多频段神经反馈方法及系统，能够反馈运动训练过程中的心率和呼吸频率信息，自适应调节运动训练模块的训练参数，并提取神经活动信息进行神经反馈训练，使患者更安全、更个性化地主动参与到康复训练中，达到更好的康复效果。

2、一方面，本发明提供了一种结合运动训练的多频段神经反馈方法，该方法包括以下步骤：

3、配置近红外脑血氧采集模块的采集模板和运动训练模块的基础训练参数；

4、保持静息状态5分钟以上，由心率呼吸频率提取模块计算静息状态的心率和呼吸频率均值和标准差，由神经信号处理模块计算神经信号来源的脑血氧浓度的均值和标准差；

5、由近红外脑血氧采集模块实时采集运动训练时的近红外脑血氧信号，由心率呼吸频率提取模块实时计算心率和呼吸频率，并且由心率呼吸频率比较分析模块实时判断心跳和呼吸信息并将判断信息传输至运动训练模块，由运动训练模块实时调整训练参数，同时，由神经信号处理模块实时分析由近红外脑血氧采集模块实时采集的近红外脑血氧信号，计算实时的神经信号来源的脑血氧浓度，并且通过动画反馈模块以动画的形式进行反馈，

6、其中，近红外脑血氧采集模块至少能够采集前额叶和运动区皮层的红外脑血氧信号；运动训练模块的基础训练参数包括但不限定于运动速度、运动阻尼和运动范围。

7、在一些实施例中，通过以下方式计算静息状态的心率或实时计算运动训练时的心率：

8、采用前额叶的近红外采集通道信号作为提取心率和呼吸频率的基础脑血氧信号，心率呼吸频率提取模块将所有基础脑血氧信号进行主成分分析，将最大特征根对应的最大主成分作为进一步分析心率和呼吸频率的时间序列；

9、在获得前额叶所有通道的最大主成分时间序列后，采用采用25.6秒的时间窗进行滑动窗口的快速傅里叶变换，将最大主成分从时域转化为频域信号，找到每个滑动窗口频域信号的0.6-2hz范围内最大值对应的频率，即获得训练者的静息态或运动训练时心率时间序列，

10、其中，最大主成分时间序列由以下步骤运算得出：

11、将前额叶所有通道的脑血氧信号标准化得标准化矩阵(x1,x2,……,xn)，n为前额叶通道的总数量，标准化方法为减去各自通道的均值后除以各自通道的标准差；计算标准化后脑血氧信号矩阵的协方差矩阵，计算协方差矩阵的特征根和相应的特征向量；最大特征值对应的特征向量a(列向量)即为最大主成分对应的系数，最后得到最大主成分为pcmax＝a(x1,x2,……,xn)。

12、在一些实施例中，通过以下方式计算静息状态的呼吸频率或实时计算使用者在运动训练时的呼吸频率：

13、计算最大主成分时间序列的上包络参数序列、下包络参数序列、间隔参数序列、幅度参数序列和面积参数序列；

14、对最大主成分时间序列的上包络参数序列、下包络参数序列、间隔参数序列、幅度参数序列和面积参数序列，采用25.6秒的时间窗进行滑动窗口的快速傅里叶变换，找到每个滑动窗口频域信号的0.145-0.6hz范围内最大值对应的频率，即可分别得到上包络参数序列、下包络参数序列、间隔参数序列、幅度参数序列和面积参数序列计算出的呼吸频率时间序列；将五个呼吸频率时间序列取平均，即可得训练者的静息态或运动训练时的呼吸频率时间序列。

15、在一些实施例中，识别最大主成分时间序列每个波动周期的峰值点和谷值点，由峰值点和谷值点时间序列经三次样条插值，得到上包络参数序列和下包络参数序列；

16、计算每两个峰值点间的时间间隔，由时间间隔时间序列经三次样条插值，得到间隔参数序列；

17、计算每个波动周期的峰值和谷值的浓度差值，由浓度差值时间序列经三次样条插值，得到幅度参数序列；并且

18、计算每个波动周期的信号包围面积，由包围面积时间序列经三次样条插值，得到面积参数序列。

19、在一些实施例中，通过以下方式计算神经信号来源的脑血氧浓度：

20、对于单通道的脑血氧信号，首先排除来自噪声通道的脑血氧信号；然后利用时间导数分布修复算法去除运动伪影干扰；去除信号尖峰；去除低频漂移和高频仪器噪声；采用血液动力学分离算法提纯脑血氧信号中的神经来源成分；经血液动力学分离算法提纯后，使用0.01-0.08hz的2阶带通巴特沃斯滤波器滤波得到神经信号来源的脑血氧浓度。

21、在一些实施例中，心率呼吸频率比较分析模块记录静息态的心率和呼吸频率的均值和标准差，并且将实时计算得到的心率和呼吸频率与静息态的心率和呼吸频率的均值和标准差相比较；

22、若实时心率和呼吸频率在静息态的心率和呼吸频率的均值加一倍标准差范围内，则逐渐增加运动训练模块的训练参数，包括但不限于提高运动速度、增大运动阻尼和扩大运动范围，以提供有效的训练强度；

23、若实时心率和呼吸频率在静息态的心率和呼吸频率的均值一倍到两倍标准差范围内，则不改变运动训练模块的训练参数；

24、若实时心率和呼吸频率在静息态的心率和呼吸频率的均值加两倍到三倍标准差范围内，则逐渐降低运动训练模块的训练参数，包括但不限于降低运动速度、减小运动阻尼和缩小运动范围，以提供适当的训练强度；

25、若实时心率和呼吸频率超过静息态的心率和呼吸频率的均值加三倍标准差，则逐步降低训练参数至运动训练模块停止。

26、另一方面，本发明还提供一种结合运动训练的多频段神经反馈系统，该系统包括：

27、近红外脑血氧采集模块，该近红外脑血氧采集模块用于采集至少包括前额叶和运动区的近红外脑血氧信号；

28、心率呼吸频率提取模块，该心率呼吸频率提取模块用于根据前额叶的近红外脑血氧信号的最大主成分提取静息态的心率和呼吸频率，以及运动训练时的实时心率和呼吸频率；

29、心率呼吸频率比较分析模块，该心率呼吸频率比较分析模块用于在运动训练时将实时心率和呼吸频率与静息态的心率和呼吸频率进行比较，生成训练参数的控制指令；

30、运动训练模块，该运动训练模块用于提供使用者运动训练支持，并根据心率呼吸频率比较分析模块生成的训练参数的控制指令调整训练参数；

31、神经信号处理模块，该神经信号处理模块用于根据前额叶和运动区的近红外脑血氧信号提取静息态的神经信号来源的脑血氧浓度，以及运动训练时的神经信号来源的脑血氧浓度；

32、动画反馈模块，该动画反馈模块用于根据静息态的神经信号来源的脑血氧浓度，以及运动训练时的神经信号来源的脑血氧浓度，通过动画形式将神经信号脑血氧浓度反馈给使用者。

33、在一些实施例中，心率呼吸频率提取模块通过以下方式计算静息状态的心率或实时计算运动训练时的心率：

34、采用前额叶的近红外采集通道信号作为提取心率和呼吸频率的基础脑血氧信号，心率呼吸频率提取模块将所有基础脑血氧信号进行主成分分析，将最大特征根对应的最大主成分作为进一步分析心率和呼吸频率的时间序列；

35、在获得前额叶所有通道的最大主成分时间序列后，采用采用25.6秒的时间窗进行滑动窗口的快速傅里叶变换，将最大主成分从时域转化为频域信号，找到每个滑动窗口频域信号的0.6-2hz范围内最大值对应的频率，即获得训练者的静息态或运动训练时心率时间序列，

36、其中，最大主成分时间序列由以下步骤运算得出：

37、将前额叶所有通道的脑血氧信号标准化得标准化矩阵(x1,x2,……,xn)，n为前额叶通道的总数量，标准化方法为减去各自通道的均值后除以各自通道的标准差；计算标准化后脑血氧信号矩阵的协方差矩阵，计算协方差矩阵的特征根和相应的特征向量；最大特征值对应的特征向量a(列向量)即为最大主成分对应的系数，最后得到最大主成分为pcmax＝a(x1,x2,…,xn)。

38、在一些实施例中，心率呼吸频率提取模块通过以下方式计算静息状态的呼吸频率或实时计算运动训练时的呼吸频率：

39、计算最大主成分时间序列的上包络参数序列、下包络参数序列、间隔参数序列、幅度参数序列和面积参数序列；

40、对最大主成分时间序列的上包络参数序列、下包络参数序列、间隔参数序列、幅度参数序列和面积参数序列，采用25.6秒的时间窗进行滑动窗口的快速傅里叶变换，找到每个滑动窗口频域信号的0.145-0.6hz范围内最大值对应的频率，即可分别得到上包络参数序列、下包络参数序列、间隔参数序列、幅度参数序列和面积参数序列计算出的呼吸频率时间序列；将五个呼吸频率时间序列取平均，即可得训练者的静息态或运动训练时的呼吸频率时间序列。

41、神经信号处理模块通过以下方式计算神经信号来源的脑血氧浓度：

42、对于单通道的脑血氧信号，首先排除来自噪声通道的脑血氧信号；然后利用时间导数分布修复算法去除运动伪影干扰；去除信号尖峰；去除低频漂移和高频仪器噪声；采用血液动力学分离算法提纯脑血氧信号中的神经来源成分；经血液动力学分离算法提纯后，使用0.01-0.08hz的2阶带通巴特沃斯滤波器滤波得到神经信号来源的脑血氧浓度。

43、本发明的有益效果至少是：结合了运动训练的多频段神经反馈方法及系统，能够通过脑皮层近红外光谱信号的采集，提取和反馈运动训练过程中的心率和呼吸频率信息，表征使用者运动训练的强度和能耗，并自适应调节运动训练模块的训练参数；能够提取神经活动信息，反映使用者由于运动训练诱发的脑神经活动强度，通过动画形式进行神经反馈训练；使使用者能够更安全、更个性化地主动参与到康复训练中，达到更好的康复效果。