CN105962935B - 用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***及其方法 - Google Patents

用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及一种用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***及其方法，包括脑电采集模块、脑电分析模块、神经反馈模块、辅助设备模块和反馈输出模块，在各模块间使用无线或有线方式相连接，脑电采集模块与脑电分析模块相连接，该脑电采集模块采集脑电信号并传输给脑电分析模块，脑电分析模块对脑电信号进行特征提取和分类并传输给神经反馈模块，神经反馈模块与脑电分析模块及反馈输出模块、辅助设备模块相连接实现脑电神经反馈训练的优化和调整功能。本发明可针对运动学习神经反馈场景开展针对性的训练，减少了神经反馈训练过程中的准备时间和专业性要求，扩大了神经反馈训练的应用场景，提高了神经反馈训练对运动学习能力的改善效果。

Description

用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***及其方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其是一种用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***及其方法。
背景技术
神经反馈是神经科学领域与生物医学工程领域交叉融合所产生的一种技术，其原理在于通过采集被试者的生理活动并实时在线地以某种形式反馈给被试者，从而令被试者能够主动的调节身体机能的状态。狭义的神经反馈主要基于脑电信号，广义的神经反馈可利用包括脑电信号在内的多种不同生理信号，如心电、肌电、呼吸节律等。
基于脑电信号的神经反馈技术应用广泛，其主要通过采集被试者的脑电信号，经计算机处理分析后，将被试者的脑电特征作为神经反馈信息。目前，基于神经反馈技术存在以下技术难题：(1)脑电信号微弱且复杂多变，如何选定合适的特征，使之能够有效地反映大脑与运动学习相关的状态，并能够为被试者提供有效的指导；(2)如何选定合适的反馈表现形式，能够使得被试者易于理解并准确把握脑电状态；(3)如何制定并高效率地反馈训练***工作模式或流程，能够使得被试者在相对较短时间内完成神经反馈训练，避免出现疲劳情况。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种设计合理、效率高且快速准确的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***及其方法。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***，包括脑电采集模块、脑电分析模块、神经反馈模块、辅助设备模块和反馈输出模块，所述脑电采集模块与脑电分析模块相连接，该脑电采集模块采集脑电信号并传输给脑电分析模块，所述脑电分析模块对脑电信号进行特征提取和分类并传输给神经反馈模块，所述神经反馈模块与脑电分析模块及反馈输出模块、辅助设备模块相连接实现脑电神经反馈训练的优化和调整功能。
所述脑电采集模块包括脑电电极、采集组件、供电组件、CPU、处理组件和传输组件；所述CPU与处理组件、采集组件和传输组件相连接实现对各个模块的控制功能；所述供电组件与CPU、采集组件、处理组件和传输组件相连接实现对各个模块的供电功能；所述采集组件通过脑电电极与人体连接采集脑电信号；所述传输组件与脑电分析模块相连接；所述传输组件为无线传输单元或有线传输单元。
所述脑电电极为一个或多个，脑电电极为无创可穿戴式的脑电电极。
所述脑电分析模块包括两个传输组件、预处理单元、分析算法单元和指标输出单元；所述预处理单元通过一个传输组件与脑电采集模块相连接，预处理单元、分析算法单元和指标输出单元依次相连接，所述指标输出单元通过另一个传输组件与神经反馈模块相连接，所述两个传输组件为无线传输单元或有线传输单元。
所述神经反馈模块包括两个传输组件、反馈模型选择单元、反馈模型库、反馈训练执行单元、反馈效果评价单元、反馈模型优化单元、反馈输出单元和反馈输出模式库；所述反馈模型选择单元通过一个传输组件与脑电分析模块和辅助设备模块相连接，反馈模型选择单元、反馈模型库、反馈模型优化单元依次相连接，所述反馈训练执行单元分别与反馈模型选择单元、反馈输出单元相连接，反馈训练执行单元、反馈效果评价单元、反馈模型优化单元依次相连接，所述反馈输出单元与反馈输出模式库相连接，该反馈输出单元还通过另一个输出组件与反馈输出模块相连接，所述两个传输组件为无线传输单元或有线传输单元。
所述辅助设备模块为鼠标、手写板或触摸屏。
所述反馈输出模块为显示屏、虚拟现实装置、力反馈装置、声音输出装置、光刺激输出装置或电刺激输出装置。
所述脑电分析模块和神经反馈模块由FPGA电路构成，或者脑电分析模块和神经反馈模块为独立模块并通过无线或有线传输方式相连接构成，或者脑电分析模块和神经反馈模块为运行在计算机上的软件并通过通用计算机结构与本***其他模块相连接
一种用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，包括以下步骤：
步骤1：通过一个或多个脑电电极采集使用者的脑电信号，并将脑电信号传输到脑电采集模块；
步骤2：脑电采集模块对采集到的脑电信号后进行初步的放大、滤波处理并转换为数字信号，通过无线或有线的方式发送到脑电分析模块；
步骤3：脑电分析模块对脑电信号开展进一步的分析，提取出频率、幅值、功率谱、熵、图论网络参数、混沌和分型指标，开展特征提取和分类，并将指标分析结果通过无线或有线的方式发送到神经反馈模块；
步骤4：神经反馈模块中内置有一系列适用于运动学习增强训练的神经反馈训练模型和训练范式，选定一种训练模型后，神经反馈模块一方面获取来自使用者的脑电信号，另一方面获取使用者操作辅助设备模块产生的运动信号，进行评估和对比，并将使用者的脑电指标和操作辅助设备模块产生的运动信号通过反馈输出模块反馈给使用者，使得使用者实时地获知自身脑电信号变化的状态和规律以及自身通过运动操作辅助设备模块产生的运动信号的状态；
步骤5：神经反馈模块根据每一使用者的操作状况、脑电信号的状态和神经反馈模型的预计指标产生优化的特征库，对神经反馈训练模型的效果进行累积优化。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的各模块间使用无线或有线方式传输指令和数据，与人体直接接触的脑电采集模块能够独立工作，不需要使用线缆与其他模块连接，且使用无创可穿戴式的脑电电极，减少了神经反馈训练过程中的准备时间和专业性要求，同时也提高了神经反馈训练的应用场景。通过利用可通过肢体运动操作的辅助设备模块传入的使用者运动信息，神经反馈模块可将使用者的脑电信息、运动信息实时地通过反馈输出模块反馈给使用者，并生成使用者的特征档案用于优化神经反馈模型，从而提高神经反馈训练对运动学习能力的改善效果。
附图说明
图1为本发明的***连接示意图；
图2为本发明的脑电采集模块的电路方框图；
图3为本发明的脑电分析模块的电路方框图；
图4为本发明的神经反馈模块的电路方框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***，如图1所示，包括脑电采集模块、脑电分析模块、神经反馈模块、辅助设备模块和反馈输出模块。所述的脑电采集模块与所述的脑电分析通过无线或有线传输方式相连接，脑电分析模块集成了多种适用于运动学习的脑电分析算法可将来自脑电采集模块的信号转换为如：频率、幅值、功率谱、熵、图论网络参数、混沌和分型等量化指标并进行特征提取和分类。所述脑电分析模块与神经反馈模块可以为一个整体结构，也可以是两个独立的模块，当脑电分析模块与神经反馈模块为一个整体结构时，可以通过FPGA电路实现也可以实现为通用计算机架构上的软件程序，当脑电分析模块与神经反馈模块为两个独立的模块时，脑电分析模块和神经反馈模块通过有线或无线传输方式连接在一起。所述的反馈输出模块与所述的神经反馈模块通过无线或有线方式相连接，通过神经反馈模块可将来自脑电分析模块的指标代入运动学习神经反馈训练模式库，以特定方式通过反馈输出模块对使用者输出如：声音、图像、力反馈动作、电刺激、光刺激等信号，使用者可通过注意、凝视、想象或操作与运动相关的辅助设备模块等方式向神经反馈模块输入辅助信号，神经反馈模块可将来自使用者的输入转换为反馈训练评价指标，对运动学习神经反馈训练模式进行优化和调整。下面对***中的各个模块分别进行说明：
如图2所示，脑电采集模块包括脑电电极、采集组件、供电组件、CPU、处理组件和传输组件，CPU与处理组件、采集组件和传输组件相连接实现对各个模块的控制功能。供电组件与CPU、采集组件、处理组件和传输组件相连接实现对各个模块的供电功能。采集组件通过无创式脑电电极与人体连接采集人体的脑电信号。来自人体的脑电信号在脑电采集模块中经过采集组件及处理组件的放大、滤波等预处理后转换为数字信号，并通过传输组件以有线或无线的方式传输给脑电分析模块。当使用无线传输方式时，脑电采集模块通过自身电池供电，可实现便于穿戴的脑电采集和无线传输功能。本领域的一般技术人员可以意识到，所有可提供脑电信号采样的电极均可以适用于本发明所描述的***及其方法。示例中所提供的电极类型和导联方式并不旨在对本发明的使用范围或功能提出任何局限。
如图3所示，脑电分析模块包括传输组件、预处理单元、分析算法单元、指标输出单元。传输组件包括与脑电采集模块相连接的传输组件和与神经反馈模块相连接的传输组件，传输组件均可以有线或无线方式进行传输。来自脑电采集模块的经过预处理的脑电信号通过传输组件以有线或无线的方式进入脑电分析模块，在预处理单元中对脑电信号进行进一步的滤波、去除干扰、伪迹等操作。分析算法单元集成了多种适用于运动学习的脑电分析算法可将来自脑电采集模块的信号转换为如：频率、幅值、功率谱、熵、图论网络参数、混沌和分型等量化指标，进行特征提取和分类，分析算法单元计算生成的指标在指标输出单元中按照XML语言格式进行格式化规范和打包，并通过传输组件以有线或无线的方式输出到神经反馈模块。
如图4所示，神经反馈模块包括传输组件、反馈模型选择单元、反馈模型库、反馈训练执行单元、反馈效果评价单元、反馈模型优化单元、反馈输出单元、反馈输出模式库。传输组件包括与脑电采集模块、辅助设备模块相连接的传输组件以及与反馈输出模块相连接的传输组件，传输组件均可以有线或无线方式进行传输。来自脑电分析模块的脑电指标和来自辅助设备模块的使用者运动反应指标通过传输组件以有线或无线的方式进入反馈模型选择单元，反馈模型选择单元根据***设置在反馈模型库中挑选合适的适于运动学习的神经反馈模型和训练范式，通过反馈训练执行单元生成具体的执行指令，反馈输出单元根据执行指令在反馈输出模式库中选择指定的反馈输出模式，并通过传输组件以有线或无线的形式输出到反馈输出模块。在运动学习神经反馈训练过程中，使用者通过辅助设备传入的运动反应情况将实时地进入反馈效果评价单元，反馈效果评价单元将评估反馈模型预计效果和实际执行效果之间的差异，并将结果输出到反馈模型优化单元，反馈模型优化单元可根据反馈效果评价指标对生成使用者的特征参数对反馈模型进行参数调整和优化，从而提高未来的同一使用者或不同使用者的神经反馈训练效果。
辅助设备模块可以采用鼠标和/或手写板和/或触摸屏等基于肢体运动的输入设备，通过无线或者有线的方式连接到处理模块。
反馈输出模块为显示屏和/或虚拟现实装置和/或力反馈装置和/或声音和/或光刺激和/或电刺激输出器等输出设备，通过无线或者有线的方式连接到处理模块。
本发明采用可无线连接且可依靠电池供电的脑电采集模块，便于使用者穿戴，扩大了脑机接口的应用场景，并且引入与肢体运动相关的辅助设备模块，可针对运动学习神经反馈场景开展针对性的训练，进一步，神经反馈模块中具有反馈模型库并通过反馈效果评价单元和反馈模型优化单元可对反馈模型开展实时和有针对性的优化，最后，通过反馈输出模块和辅助设备模块可建立起使用者和神经反馈***的闭环人机交互，结合运动学习场景，以上改进将起到提高神经反馈效果，尤其是运动学习功能改善效果的积极作用。
本发明的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练方法包括以下步骤：
(1)通过一个或多个无创式可穿戴脑电电极采集到使用者的脑电信号，并将脑电信号传输到脑电采集模块。
(2)便携式可使用电池供电的脑电采集模块对采集到的原始脑电信号后进行初步的放大、滤波处理并转换为数字信号，通过无线或有线的方式发送到脑电分析模块。
(3)脑电分析模块对脑电信号开展进一步的分析，提取出频率、幅值、功率谱、熵、图论网络参数、混沌和分型等量化指标，并开展特征提取和分类，并将指标分析结果通过无线或有线的方式发送到神经反馈模块；
(4)神经反馈模块中内置有一系列适用于运动学习增强训练的神经反馈训练模型和训练范式，选定一种训练模型后，神经反馈模块一方面获取来自使用者的脑电信号，一方面获取使用者操作辅助设备产生的运动信号，进行评估和对比，并将使用者的脑电指标和操作辅助设备产生的运动信号通过声音、图像、力反馈动作、电刺激、光刺激等方式通过反馈输出模块反馈给使用者，使得使用者可以实时地获知自身脑电信号变化的状态和规律以及自身通过运动操作辅助设备产生的运动信号的状态；
(5)神经反馈模块可根据每一使用者的操作状况、脑电信号的状态和神经反馈模型的预计指标产生优化的特征库，从而对神经反馈训练模型的效果进行累积优化，增强同一用户及不同用户进行运动学习增强神经反馈训练时的训练效果。
上述训练方法的执行或实现顺序不是必要的，除非另外指定。即，方法的元素可以用任何顺序来执行，除非另外指定，且方法可包括比此处所揭示的更多或更少的元素。可以认为，在另一元素之前、与其同时或之后执行或实现特定元素是在本发明的范围之内。
当介绍本发明或其实施例的元素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”是指存在一个或多个元素。“包括”、“包含”、“具有”旨在包含性的，且意味着除所列出的元素之外还可以有其他元素。
由于可在不脱离本发明的范围的情况下在上述产品和方法中做出各种改变，因此包含在上述说明书并在附图中示出的所有内容都应当被解释为说明性而非限制性的。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，所述用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***包括脑电采集模块、脑电分析模块、神经反馈模块、辅助设备模块和反馈输出模块，所述脑电采集模块与脑电分析模块相连接，该脑电采集模块采集脑电信号并传输给脑电分析模块，所述脑电分析模块对脑电信号进行特征提取和分类并传输给神经反馈模块，所述神经反馈模块与脑电分析模块及反馈输出模块、辅助设备模块相连接实现脑电神经反馈训练的优化和调整功能，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：通过一个或多个脑电电极采集使用者的脑电信号，并将脑电信号传输到脑电采集模块；
步骤2：脑电采集模块对采集到的脑电信号后进行初步的放大、滤波处理并转换为数字信号，通过无线或有线的方式发送到脑电分析模块；
步骤3：脑电分析模块对脑电信号开展进一步的分析，提取出频率、幅值、功率谱、熵、图论网络参数、混沌和分型指标，开展特征提取和分类，并将指标分析结果通过无线或有线的方式发送到神经反馈模块；
步骤4：神经反馈模块中内置有一系列适用于运动学习增强训练的神经反馈训练模型和训练范式，选定一种训练模型后，神经反馈模块一方面获取来自使用者的脑电信号，另一方面获取使用者操作辅助设备模块产生的运动信号，进行评估和对比，并将使用者的脑电指标和操作辅助设备模块产生的运动信号通过反馈输出模块反馈给使用者，使得使用者实时地获知自身脑电信号变化的状态和规律以及自身通过运动操作辅助设备模块产生的运动信号的状态；
步骤5：神经反馈模块根据每一使用者的操作状况、脑电信号的状态和神经反馈模型的预计指标产生优化的特征库，对神经反馈训练模型的效果进行累积优化。
2.根据权利要求1所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述脑电采集模块包括脑电电极、采集组件、供电组件、CPU、处理组件和传输组件；所述CPU与处理组件、采集组件和传输组件相连接实现对各个模块的控制功能；所述供电组件与CPU、采集组件、处理组件和传输组件相连接实现对各个模块的供电功能；所述采集组件通过脑电电极与人体连接采集脑电信号；所述传输组件与脑电分析模块相连接；所述传输组件为无线传输单元或有线传输单元。
3.根据权利要求2所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述脑电电极为一个或多个，脑电电极为无创可穿戴式的脑电电极。
4.根据权利要求1所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述脑电分析模块包括两个传输组件、预处理单元、分析算法单元和指标输出单元；所述预处理单元通过一个传输组件与脑电采集模块相连接，预处理单元、分析算法单元和指标输出单元依次相连接，所述指标输出单元通过另一个传输组件与神经反馈模块相连接，所述两个传输组件为无线传输单元或有线传输单元。
5.根据权利要求1所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述神经反馈模块包括两个传输组件、反馈模型选择单元、反馈模型库、反馈训练执行单元、反馈效果评价单元、反馈模型优化单元、反馈输出单元和反馈输出模式库；所述反馈模型选择单元通过一个传输组件与脑电分析模块和辅助设备模块相连接，反馈模型选择单元、反馈模型库、反馈模型优化单元依次相连接，所述反馈训练执行单元分别与反馈模型选择单元、反馈输出单元相连接，反馈训练执行单元、反馈效果评价单元、反馈模型优化单元依次相连接，所述反馈输出单元与反馈输出模式库相连接，该反馈输出单元还通过另一个输出组件与反馈输出模块相连接，所述两个传输组件为无线传输单元或有线传输单元。
6.根据权利要求1所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述辅助设备模块为鼠标、手写板或触摸屏。
7.根据权利要求1所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述反馈输出模块为显示屏、虚拟现实装置、力反馈装置、声音输出装置、光刺激输出装置或电刺激输出装置。
8.根据权利要求1所述的用于运动学习功能改善的脑电神经反馈训练***的方法，其特征在于：所述脑电分析模块和神经反馈模块由FPGA电路构成，或者脑电分析模块和神经反馈模块为独立模块并通过无线或有线传输方式相连接构成，或者脑电分析模块和神经反馈模块为运行在计算机上的软件并通过通用计算机结构与本***其他模块相连接。
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