CN111449651A - 一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***及其方法 - Google Patents

一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，包括脑电信号采集机构、辅助训练机构和传输机构。脑电信号采集机构包括脑电信息采集模块、数模转换模块和脑电信号处理模块，脑电信息采集模块连接有脑电信号采集接口，脑电信息采集模块、数模转换模块和脑电信号处理模块依次连接；辅助训练机构包括肌电信号采集模块、训练驱动模块和肌电信号处理模块，肌电信号采集模块连接有肌电信号采集接口，训练驱动模块连接有训练驱动接口，肌电信号处理模块连接在肌电信号采集模块与肌电信号采集模块之间；脑电信号处理器和肌电信号处理模块通过传输机构连接并传输信号。本发明通过脑电信息和肌电信息之间的传输对比，确定需要对肌肉做的刺激训练。

Description

一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***及其方法
技术领域
本申请涉及医疗技术领域，尤其涉及一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***及其方法。
背景技术
在日常生活中，人所有的姿势与动作均受肌肉张力调控。简单来说，在静止或休息的状态下，肌肉维持的紧绷程度，即为肌张力(muscle tone)，如：战力或坐姿时，人体稳定，不会倾倒。当大脑的中枢神经***，无论经由外力或非外力造成脑损伤时，自主调控肌肉正常紧绷程度能力将丧失，产生肌张力过强(肢体僵直)或过低(肢体瘫软)之生理反应，进而人将丧失自主控制身体特定动作的能力。大脑受损是不可逆的损害，故需寻找替代大脑坏损区域的大脑新调控区，以解决肌张力调控的问题。
肌肉萎缩和肌肉松弛的患者在社会上占一定比例，尤其长久住院患者，由于缺少锻炼，肌肉出现严重萎缩状况甚至无法自主训练，需依靠外界的辅助仪器经行康复训练。
发明内容
本申请提供了一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***及其方法，以解决因大脑损伤而难以调节自身肌张力进行康复训练的问题。
本申请采用的技术方案如下：
本发明提供了一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，包括：
脑电信号采集机构，所述脑电信号采集机构包括脑电信息采集模块、数模转换模块和脑电信号处理模块，所述脑电信息采集模块连接有脑电信号采集接口，所述数模转换模块的信号输入端连接在所述脑电信息采集模块的信号输出端，所述脑电信号处理模块的信号输入端连接在所述数模转换模块的信号输出端，所述数模转换模块将脑电信息采集模块采集的模拟信号转换为数字信号，所述数模转换模块将处理后的数据传输给所述脑电信号处理模块；
辅助训练机构，所述辅助训练机构包括肌电信号采集模块、训练驱动模块和肌电信号处理模块，所述肌电信号采集模块连接有肌电信号采集接口，所述训练驱动模块连接有训练驱动接口，所述肌电信号处理模块连接在所述肌电信号采集模块与肌电信号采集模块之间；
传输机构，所述脑电信号处理器和肌电信号处理模块通过所述传输机构连接并传输信号。
进一步地，所述脑电信号采集接口采用可与头皮贴合的干电极。
进一步地，所述脑电信号采集机构还包括信号滤波模块，所述信号滤波模块的信号输入端连接在所述脑电信息采集模块的输出端，所述信号滤波模块的信号输出端连接在所述数模转换模块的信号输入端。
进一步地，所述数模转换模块为AD数据转换模块，所述信号滤波模块具体为带通滤波器。
进一步地，所述脑电信号采集机构还包括信号限波模块，所述信号限波模块的信号输入端连接在所述信号滤波模块的输出端，所述信号限波模块的信号输出端连接在所述数模转换模块的信号输入端。
进一步地，所述信号限波模块为40～60Hz的限波器。
进一步地，所述脑电信息采集模块连接有运算放大器。
进一步地，所述肌电信号采集接口采用与肌肉贴合的信号采集用电极片，所述训练驱动接口采用与肌肉贴合的肌肉刺激用电极片。
进一步地，一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力方法，包括如下步骤：
脑电信息采集模块通过脑电信息采集接口采集脑电模拟信号；
数模转换模块将所述脑电模拟信号转换为数字信号；
将所述数字信号传输给脑电信号处理模块，所述脑电信号处理模块给出具体的需要被训练部位；
肌电信号处理模块通过无线传输机构接收所述脑电信号处理模块发送的被训练部位信息，并发送采集信号至肌电信号采集模块；
肌电信号采集模块通过肌电信号采集接口采集肌电信息，并将所述肌电信息传输至肌电信号处理模块；
肌电信号处理模块进行信号的分析给出肌肉训练的强度和时间，肌电信号处理模块和脑电信号处理模块通过传输机构进行数据传输比对，给出需要进行康复训练的具体训练信号；
肌电信号处理模块将所述训练信号传输至训练驱动模块，训练驱动模块通过训练驱动接口对肌肉进行刺激训练。
进一步地，还包括：将所述脑电模拟信号通过信号滤波模块和信号限波模块去除噪声高频信号的干扰，将去除噪声高频信号的干扰后的脑电模拟信号传输至所述数模转换模块。
采用本申请的技术方案的有益效果如下：
本发明的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***及其方法，脑电信息采集模块通过脑电信号采集接口对人体大脑的脑电信号进行采集，数模转换模块将脑电信息采集模块采集的模拟信号转换为数字信号，数模转换模块将处理后的数据传输给脑电信号处理模块；
肌电信号采集模块通过肌电信号采集接口进行肌电信息采集并将信号传输至肌电信号处理模块，肌电信号处理模块进行信号的分析给出肌肉需要训练的强度和时间，肌电信号处理模块将训练强度和时间及采集到的肌电信息通过传输机构传输至脑电信号处理模块，脑电信号处理模块将肌电信息和脑电信号处理模块给出的需要训练的信息进行比对，形成优化后的训练信号，肌电信号处理模块将训练信号传输至训练驱动模块，通过训练驱动模块的训练驱动接口对肌肉进行刺激训练。
通过脑电信号采集机构和辅助训练机构之间的脑电信息和肌电信息之间的传输、对比，来确定需要对肌肉做的刺激训练，当特定肌张力过高，接收到信号波形幅度过大的肌电图(ENG),则调控肌肉舒张；反之，当特定肌张力过低，接收到信号波形幅度过小的肌电图，则刺激肌肉收缩，促使失调之肌肉组织，达成及时刺激与放松之效益，维持肌肉与正常紧绷程度。
通过辅助训练***，进行该部位的肌肉锻炼，训练的同时随时进行肌电信号的采集工作，实现训练和肌电信号采集同时进行，实现训练的闭环效果，更能有效、安全的进行肌肉张力的训练。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***的示意图；
图示说明：
其中，1-脑电信号采集机构：11-脑电信息采集模块；12-信号滤波模块；13-信号限波模块；14-数模转换模块；15-脑电信号处理模块；
2-辅助训练机构：21-肌电信号采集模块；22、训练驱动模块；23-肌电信号处理模块。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的***和方法的示例。
参见图1，为一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***的意图。
本申请提供的一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，包括脑电信号采集机构和辅助训练机构。
具体来说：
脑电信号采集机构包括脑电信息采集模块11、数模转换模块14和脑电信号处理模块15，脑电信息采集模块11连接有脑电信号采集接口，数模转换模块14的信号输入端连接在脑电信息采集模块11的信号输出端，脑电信号处理模块15的信号输入端连接在所述数模转换模块14的信号输出端，数模转换模块14将脑电信息采集模块11采集的模拟信号转换为数字信号，数模转换模块14将处理后的数据传输给脑电信号处理模块15；
辅助训练机构包括肌电信号采集模块21、训练驱动模块22和肌电信号处理模块23，肌电信号采集模块21连接有肌电信号采集接口，训练驱动模块22连接有训练驱动接口，肌电信号处理模块23连接在肌电信号采集模块21与肌电信号采集模块21之间；
传输机构，脑电信号处理器和肌电信号处理模块23通过传输机构连接并传输信号，所述传输机构为无线传输或者有线传输。具体地，本实施例的传输机构为无线传输，具体为蓝牙，当然也可以为WiFi等其他可以进行信号传输的方式。
脑电信号采集接口可直接采用可与头皮贴合的干电极，也可选用脑电信号采集接口为头戴式脑电采集仪等，再此不多做赘述。
脑电信号采集机构还包括信号滤波模块12，信号滤波模块12的信号输入端连接在脑电信息采集模块11的输出端，信号滤波模块12的信号输出端连接在数模转换模块14的信号输入端。
脑电信号采集机构还包括信号限波模块13，信号限波模块13的信号输入端连接在信号滤波模块12的输出端，信号限波模块13的信号输出端连接在数模转换模块14的信号输入端。
其中，本实施例的数模转换模块14为AD数据处理转换模块，信号滤波模块12具体为带通滤波器，信号限波模块13为40～60Hz的限波器，限波器具体为50Hz。带通滤波器和限波器的作用是去除噪声高频信号的干扰。
脑电信息采集模块11的前端连接有运算放大器，以便于将采集到的信号放大。
肌电信号采集接口采用与肌肉贴合的信号采集用插针式电极片，采集用插针式电极片有三个，训练驱动接口采用与肌肉贴合的肌肉刺激用插针式电极片，肌肉刺激用插针式电极片具有两个。
脑电信息采集模块11、信号滤波模块12、信号限波模块13、数模转换模块14、脑电信号处理模块15、肌电信号采集模块21、训练驱动模块22、肌电信号处理模块23均连接有电源，整个***采用两块可充电聚合物锂电池供电，其电池供电电压为DC3.7V,1000mAh可提供每个设备8小时的工作时间，24小时待机时间。其中，脑电信息采集模块11、信号滤波模块12、信号限波模块13、数模转换模块14、脑电信号处理模块15的电源为可充电电池，可充电电池与脑电信号处理模块15连接，脑电信号处理模块15输出电压类型包括：+1.8V、-1.8V、+3.3V、-3.3V、+1.2V以及GND；肌电信号采集模块21、训练驱动模块22、肌电信号处理模块23的电源为长续航电池，长续航电池与肌电信号处理模块23相连接，肌电信号处理模块23输出电压类型具有：+1.8V、-1.8V、+3.3V、-3.3V、+5V、-5V以及GND。
脑电信息采集模块11为八联导EEG信号采集装置，脑电信号处理模块15为脑电信号主处理器MCU，脑电信号主处理器MCU的工作电压为3.3V，脑电信号主处理器MCU具有显示屏，AD数据处理的工作电压为3.3V电压。其中，脑电信息采集模块11信号采集采用的运算放大器由双极性电源供电，即+1.8V和-1.8V。肌电信号采集模块21的采集时间可在肌电信号处理模块23的显示屏上设置。
训练驱动模块22具有神经肌肉电刺激电路。训练驱动模块22采用神经肌肉电刺激(NMES)，电刺激作用原理选用低频电流作用，主要用以刺激失神经肌、痉挛肌和平滑肌、废用性肌萎缩。电刺激作用原理选用低频电流作用，其物理特性如下：
1、波形输出
本训练器中波形有两种方式，即非对称性双向方波和对称性双向方波，它们具有的优点为：a.可避免电极下电化学作用对皮肤的刺激；b.电流强度快速升至预订值，可避免神经纤维的适应现象。
2、波宽调节输出
研究表明0.3MS的波宽是最舒服的，波宽小于1.0MS，需要较强的电流强度方能引起肌肉收缩，而高强度的电流会兴奋纤维神经，引起痛觉的传入，波宽大于1.0MS时，电流在引起肌肉收缩的同时，也兴奋痛觉神经，当波宽为时，电流强度稍有增加便可产生明显的肌肉收缩。
根据以上波宽的特性，本训练器中采用可调节的波宽范围：0.2～1.0ms，满足不同肌肉张力的训练
3、可调频率输出的功能
在频率输出方面由于低频脉冲电流(1～5hz)引起肌肉的单次收缩，它不易引起肌肉疲劳及不适感，10～20HZ的脉冲电流可引起肌肉的不完全性强直收缩，频率40～60HZ可引起完全性强直收缩，由于强直性收缩的力量可比单收缩强4倍，所以较高频率的电刺激可用于锻炼正常肌肉，但易引起肌肉疲劳。根据不同的肌电信号特性选用不同频段的训练，以达到肌张力训练的目的。
本实施例的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的方法的步骤具体为：
将头戴式脑电采集仪的干电极贴在用户头上；
将信号采集用插针式电极片和肌肉刺激用插针式电极片贴在用户需要被刺激的肌肉上；
步骤一：脑电信息采集模块11通过头戴式脑电采集仪对脑模拟电信号进行采集；
步骤二：将脑电模拟信号通过带通滤波器和限波器去除噪声高频信号的干扰；
步骤三：经滤波器和限波器处理后的数据由AD数据转换模块将模拟信号转换为数字信号；
步骤四：AD数据转换模块将处理后的数字信号传输给脑电信号处理模块15；由于脑电信号处理模块15内部集成高精度的、可靠性的EEG信号算法程序，对传输过来的脑波信号经行分析后，并通过屏幕显示出具体的需要被训练部位；
步骤五：脑电信号处理模块15通过蓝牙传输方式将被训练部位信息传输给肌电信号处理模块23，肌电信号处理模块23给肌电信号采集模块21发送可以采集肌电信息的信号；
步骤六：肌电信号采集模块21收到采集信号后，肌电信号采集模块21通过信号采集用插针式电极片进行肌电信号的采集，确定当前的肌肉状态，将肌肉信息传输至肌电信号处理模块23；
步骤七：肌电信号处理模块23进行信号的分析给出肌肉训练的强度和时间，同时，肌电信号处理模块23将训练强度和训练时间及采集到的肌电信息通过蓝牙与脑电信号处理模块15给出的被训练部分的信息进行传输比对，给出需要进行康复训练的具体训练信号，形成优化后的训练信号；
步骤八：肌电信号处理模块23将训练信号传输至训练驱动模块22，训练驱动模块22通过肌肉刺激用插针式电极片对肌肉进行刺激训练。
肌电信号采集模块21实时采集肌电信息，脑电信息采集模块11实时采集脑电信息，同时，脑电信号处理模块15和肌电信号处理模块23对数据进行实时处理和比对，实现训练的闭环效果，以获取最佳的训练信号，更能有效、安全的进行肌肉张力的训练，以保证训练部位的肌肉伸缩正常。
本实施例的有益效果：
脑电信号采集机构和辅助训练机构替代大脑损坏区域成为大脑调控区，即大脑调控肌张力的传输路径：大脑→肌张力，替代为脑机接口→肌张力，利用脑机接口接管大脑使用区，随时侦测人体肌肉组织之肌电图(Electromyogram(EMG))变化为大脑中脑电图(Electroencephalogram(EEG))变化，即时调控肌肉张力。当特定肌张力过高，脑机接口将接收到信号波形幅度过大的肌电图(ENG),则调控肌肉舒张；反之，当特定肌张力过低，脑机接口将接收到信号波形幅度过小的肌电图，则刺激肌肉收缩，促使失调之肌肉组织，达成及时刺激与放松之效益，维持肌肉与正常紧绷程度。本实施例应用的族群，不仅有针对单一疾病患者，涉及到大脑受损的各类疾病(中风、阿兹海默症、帕金森氏症、脑性麻痹等)，均有肌张力失调之问题，甚至，不明原因产生肌张力失调问题的患者，均为此产品的使用者。
本实施例主要基于脑机接口技术和肌电采集技术实现对患有肌肉萎缩、肌肉松弛的患者，通过辅助被动训练改善肌肉萎缩、肌肉松弛的状况。
采用八联导EEG信号采集装置，通过对脑波信号的处理及复杂解算，得出精准的脑部对需要运动的肌肉的训练信息。通过辅助训练***，进行该部位的肌肉锻炼，训练的同时进行肌电信号的采集工作，实现训练和肌电信号采集同时进行，实现训练的闭环效果，更能有效、安全的进行肌肉张力的训练。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于，包括：
脑电信号采集机构，所述脑电信号采集机构包括脑电信息采集模块、数模转换模块和脑电信号处理模块，所述脑电信息采集模块连接有脑电信号采集接口，所述数模转换模块的信号输入端连接在所述脑电信息采集模块的信号输出端，所述脑电信号处理模块的信号输入端连接在所述数模转换模块的信号输出端，所述数模转换模块将脑电信息采集模块采集的模拟信号转换为数字信号，所述数模转换模块将处理后的数据传输给所述脑电信号处理模块；
辅助训练机构，所述辅助训练机构包括肌电信号采集模块、训练驱动模块和肌电信号处理模块，所述肌电信号采集模块连接有肌电信号采集接口，所述训练驱动模块连接有训练驱动接口，所述肌电信号处理模块连接在所述肌电信号采集模块与肌电信号采集模块之间；
传输机构，所述脑电信号处理器和肌电信号处理模块通过所述传输机构连接并传输信号。
2.根据权利要求1所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述脑电信号采集接口采用可与头皮贴合的干电极。
3.根据权利要求1所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述脑电信号采集机构还包括信号滤波模块，所述信号滤波模块的信号输入端连接在所述脑电信息采集模块的输出端，所述信号滤波模块的信号输出端连接在所述数模转换模块的信号输入端。
4.根据权利要求3所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述数模转换模块为AD数据转换模块，所述信号滤波模块具体为带通滤波器。
5.根据权利要求3或4所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述脑电信号采集机构还包括信号限波模块，所述信号限波模块的信号输入端连接在所述信号滤波模块的输出端，所述信号限波模块的信号输出端连接在所述数模转换模块的信号输入端。
6.根据权利要求5所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述信号限波模块为40～60Hz的限波器。
7.根据权利要求1所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述脑电信息采集模块连接有运算放大器。
8.根据权利要求1所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的***，其特征在于：所述肌电信号采集接口采用与肌肉贴合的信号采集用电极片，所述训练驱动接口采用与肌肉贴合的肌肉刺激用电极片。
9.一种基于脑电信号监测和训练肌肉张力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
脑电信息采集模块通过脑电信息采集接口采集脑电模拟信号；
数模转换模块将所述脑电模拟信号转换为数字信号；
将所述数字信号传输给脑电信号处理模块，所述脑电信号处理模块给出具体的需要被训练部位；
肌电信号处理模块通过无线传输机构接收所述脑电信号处理模块发送的所述被训练部位信息，并发送采集信号至肌电信号采集模块；
肌电信号采集模块通过肌电信号采集接口采集肌电信息，并将所述肌电信息传输至肌电信号处理模块；
肌电信号处理模块进行信号的分析给出肌肉训练的强度和时间，肌电信号处理模块和脑电信号处理模块通过传输机构进行数据传输比对，给出需要进行康复训练的具体训练信号；
肌电信号处理模块将所述训练信号传输至训练驱动模块，训练驱动模块通过训练驱动接口对肌肉进行刺激训练。
10.根据权利要求9所述的基于脑电信号监测和训练肌肉张力的方法，其特征在于：还包括：将所述脑电模拟信号通过信号滤波模块和信号限波模块去除噪声高频信号的干扰，将去除噪声高频信号的干扰后的脑电模拟信号传输至所述数模转换模块。
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