[0001] 本实用新型涉及脑机接口训练方法及系统领域，特别涉及了一种增强运动想象的脑机接口训练系统。

[0002] 近年来，随着生物医学、信息工程及计算机科学领域的发展进步，下肢运动想象脑机接口技术正逐步地从实验研究走向临床康复训练领域。

[0003] 针对脑卒中，下肢运动障碍是其典型表现，下肢运动障碍严重影响了患者的日常生活，运动想象(Motor Imagery)具有激活大脑神经元可塑性的作用，能够加速修复外部肢体与大脑的神经功能连接。因此，基于运动想象的脑机接口技术可通过直接检测和调控患者的大脑活动，完成指定任务并高效率实现患肢康复训练，这项技术也为脑卒中肢体功能康复训练领域提供了新途径。

[0004] 然而，目前下肢运动想象脑机接口技术因患者脑损伤，运动想象能力下降，难以完成下肢想象任务，从而导致运动想象脑电信号稳定性差。

[0005] 本申请所要解决的技术问题为：如何增加对患者刺激从而提高其运动想象能力。实用新型内容

[0006] 为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种增强运动想象的脑机接口训练系统。

[0007] 本实用新型所采用的技术方案为：一种增强运动想象的脑机接口训练系统，包括主机和与主机通讯连接的屏幕、语音输出装置、脑电帽、运动幻觉诱发装置和FES装置，运动幻觉诱发装置包括单片机、振动调节模块和偏心振动马达组成，单片机与主机通讯连接，偏心振动马达设置在患者的下肢肌腱；脑电帽用于采集患者的脑电信号；FES装置根据脑电信号实时对患者肢体指定肌肉位置进行电流刺激。

[0008] 屏幕、语音输出装置和运动幻觉诱发装置分别对从视觉、听觉和振动下肢肌腱位置对患者进行多模态刺激，多方面增加患者的刺激，激活患者的视听镜像神经元，肌肉振动刺激使人感觉肌肉像被拉伸一样，并且激活和运动执行类似的运动区域如对侧初级感觉运动皮层(SM1)、辅助运动区(SMA)等，使患者产生运动幻觉，增强大脑感觉运动皮层激活程度，以提升患者的下肢运动想象能力，从而当脑电帽采集患者脑电信号时，脑电信号稳定性更好，脑电信号处理后并被识别后，根据脑电信号，FES装置可以实时刺激患者肢体肌肉位置，维持/增加肌肉运动范围，多模态刺激与FES装置刺激可以增加对患者刺激，同时维持及提高患者的想象能力。

[0009] 在一些实施方式中，脑电帽的参考电极和接地电极位置设置在患者的耳后两侧乳突。

[0010] 在一些实施方式中，屏幕、语音输出装置、脑电帽和运动幻觉诱发装置同步工作。为了能够采集实时进行多模态刺激患者的脑电信号，所以多个装置同步工作。

[0011] 在一些实施方式中，主机为电脑，屏幕和语音输出装置分别设置在主机上。屏幕和语音输出装置一体设置在主机上，节省器材成本。

[0012] 本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用了从三个方面对患者进行多模态刺激，诱发主观的下肢运动幻觉感，激活了视听神经元和与运动想象类似的大脑功能区(如：初级运动皮层、辅助运动区)；通过机械振动刺激下肢跟腱位置，从而增强下肢运动想象能力。而选择单片机、振动调节模块、偏心振动马达作为基础部件搭建运动幻觉诱发装置，成本低廉、结构简单且便于控制。

[0016] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

[0017] 请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种增强运动想象的脑机接口训练系统，包括主机和与主机通讯连接的屏幕、语音输出装置、脑电帽、运动幻觉诱发装置和FES装置，主机为电脑，屏幕为电脑的屏幕，语音输出装置为电脑的音响，还包括架设在主机上的多个模块，请参阅图2：

[0018] 多模态刺激诱导模块，多模态刺激诱导模块包括视听觉刺激诱导模块和下肢跟腱刺激模块，视听觉刺激诱导模块通过屏幕和语音输出装置提供患者视听觉刺激，下肢跟腱刺激模块通过运动幻觉诱发装置对患者下肢跟腱进行机械振动刺激，运动幻觉诱发装置包括单片机、振动调节模块和偏心振动马达组成；

[0019] 信号采集模块，信号采集模块通过脑电帽采集患者的脑电信号；

[0020] 信号处理模块，信号处理模块包括信号预处理模块、信号特征提取模块和分类建模模块；

[0021] FES刺激模块，FES刺激模块根据分类建模识别模块的分类结果决定是否触发FES装置进行刺激，FES装置负责实时刺激患者肢体指定肌肉位置。

[0022] 关于多模态刺激诱导模块：

[0023] 视听觉刺激诱导模块：使用Psychtoolbox工具箱编写抬腿踢球的动画视觉诱导界面程序以及任务提示诱导程序，使用主机的屏幕和语音输出装置播放动画或进行任务语音提示，以激活被试的视听镜像神经元，使患者更易完成下肢运动想象任务。

[0024] 下肢跟腱刺激模块：运动幻觉诱发装置选择STM32单片机、振动调节模块、0827偏心振动马达作为基础部件搭建运动幻觉诱发装置，单片机与电脑通讯连接，偏心振动马达通过魔术贴被固定在患者的下肢跟腱位置上。编写单片机程序控制振动调节模块，控制振动调节模块是可调节电压的芯片，利用PWM脉宽调节方法，调节偏心振动马达的输入电压，从而控制振动适用于不同的患者的振动频率，以产生符合该患者的最佳下肢运动幻觉。

[0025] 信号采集模块：脑电帽选用16通道g.tec，放大器采样频率设置为1200Hz，电极位置采用国际标准10‑10电极导联定位，采集通道位于感觉运动区，包括：FC3、FC1、FCz、FC2、FC4、C5、C3、C3、Cz、C2、C4、C6、CP3、CP1、CP2、CP4，另外，脑电帽的参考电极和接地电极位置通过设置在患者的耳后两侧乳突来采集患者的脑电信号。

[0026] 信号预处理模块：请参阅图3，信号预处理执行步骤如下：由于在患者执行运动想象任务开始阶段的信号不稳定且伪迹较多，因此选择截取第1s到3s之间的80次实验数据集进行预处理。首先，对截取的EEG信号降采样至256Hz，使用48～52Hz的陷波滤波器去除50Hz工频干扰、使用0.5～2Hz高通滤波器去趋势项，并添加事件信息。

[0027] 信号特征提取模块：脑电信号特征提取步骤如下：由于患者间的个体差异性，不同被试可能存在不同的最优脑电特征频带范围，因此选择可同时对多频带进行特征提取的滤波器组共空间模式(Filter Band Common Spatial Pattern,FBCSP)算法对预处理后的脑电信号进行特征提取。其中FBCSP算法的应用步骤如下：

[0028] 首先，由于运动想象的脑电特征聚集在8‑30Hz附近，因此将预处理后的脑电信号划分为6个子频带，分别为：7‑12Hz，12‑16Hz，16‑20Hz，20‑24Hz，24‑28Hz，28‑32Hz。使用MATLAB设计四阶巴特沃斯带通滤波器，将6个子频带的数据分别滤波得到独立的脑电数据集。

[0029] 其次，选择CSP算法分别提取每个子频带的脑电特征。其中CSP算法的目的是设计空间滤波器，剔除无关分量和噪声等，原始脑电信号在滤波处理之后产生新的时间序列，使其方差能够最优区分与指定想象任务相关的两类脑电信号。

[0030] 最后，基于互信息理论，选择与指定任务最为相关的脑电特征，减少脑电特征的冗余性，提升类别在线识别速度和识别率。

[0031] 分类建模识别模块：脑电信号特征分类步骤如下：

[0032] 由于仅涉及小样本运动想象数据二分类，因此选择支持向量机(Support Vector Machine,SVM)作为特征分类算法。使用SVM算法对离线脑电特征进行特征分类训练，得到关于(静息/任务)的分类识别模型。在每次的在线任务训练期间，由于不断的数据积累，该模型会不断的更新，泛化能力逐渐增强，即为模型更新的过程。

[0033] 在线模式识别过程如下：将预处理后的脑电信号使用FBCSP提取最优脑电特征，然后将最优特征送入SVM分类器进行模型训练，得到FBCSP+SVM的训练模型，然后使用这个模型对每次在线输入的未知任务类型的脑电信号进行分类成静息/任务，最后根据分类结果决定是否触发目标反馈指令，如果分类结果为任务，则发送执行指令到FES装置。

[0034] FES装置收到分类建模识别模块的执行指令后，通过低频电流刺激腓总神经及受腓总神经支配的胫骨前肌和其它肌肉，从而来增强下肢运动能力，另外FES刺激能够减少/延迟/逆转肌肉萎缩，增进循环，降低高张，维持/增加运动范围，治疗整个神经肌肉骨骼系统。

[0035] 多模态刺激诱导模块、信号采集模块、信号处理模块和FES刺激模块均架设在matlab平台上。matlab平台与FES装置之间的通信采用TCP/IP通讯协议。在屏幕呈现、语音输出、数据采集和处理、FES装置控制和STM单片机的控制进程均在同一计算机的MATLAB平台进行交换通讯，屏幕呈现后，通过串口通信触发单片机，偏心振动马达对患者下肢肌腱进行振动刺激，随后提取脑电帽中的脑电信号，脑电信号进行信号处理与分类识别，将分类结果以TCP/IP协议通讯的方式发送给FES装置进行刺激反馈。

[0036] 本实用新型的工作原理及使用流程：患者佩戴脑电帽，通过视听觉刺激诱导模块在电脑执行，患者观看屏幕的画面及接收语音输出装置的指令，同时与电脑连接的运动幻觉诱发装置对患者下肢跟腱位置进行振动刺激，即患者在多模态刺激诱导模块对其进行多模态刺激下进行运动幻想；信号采集模块通过脑电帽同步采集患者在进行运动幻想时的脑电信号，信号处理模块对采集到的脑电信号进行处理并分类，FES刺激模块根据分类结果实时对患者进行肌肉刺激。

[0037] 最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。