腦電語言障礙康復設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種腦電語言障礙康復設備，所述康復設備包括電極帽和控制器，所述電極帽與所述控制器連接。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明成本較低、操作簡單、通過采取腦電信號經(jīng)過處理后利用電刺激特定腦部區(qū)域，以及電針刺激腦部足少陽膽經(jīng)和督脈，可以實現(xiàn)患有腦血管病的運動性失語癥患者康復的技術效果，同時，利用本發(fā)明康復時間比較短，在一定的治療周期內(nèi)患者恢復到可以進行簡單交流。
【專利說明】腦電語言障礙康復設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于語言障礙醫(yī)療設備【技術領域】，尤其涉及一種腦電語言障礙康復設備。【背景技術】
[0002]據(jù)統(tǒng)計，中國正在逐漸邁入老年人社會，老年人的身心健康以及各種福利受到社會的廣泛關注。當前，面向失能及部分失能老年人和殘障者的語言障礙康復治療及訓練用的設備，正在進行大力開發(fā)。
[0003]基于腦機接口(Brain-Computer Interface, BCI)的康復技術主要有三種:第一種，利用BCI系統(tǒng)直接與外界交流，如控制神經(jīng)假肢、智能輪椅、電腦熒幕上的光標等；第二種，對于那些神經(jīng)阻斷但肢體尚在的殘疾人可利用BCI系統(tǒng)直接控制其肢體肌肉，使肢體完成日常生活基本動作；第三種，由于神經(jīng)科學的發(fā)展，科學家發(fā)現(xiàn)人在整個生命過程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能在合理的生理電位作用下可以重塑，那么可以利用BCI系統(tǒng)進行神經(jīng)再恢復，如通運動想象而產(chǎn)生相應腦電來推動神經(jīng)再恢復。以目前市場上最有效的失語癥康復系統(tǒng)美國COGNI為例，COGNI失語癥訓練系統(tǒng)采用多點觸摸技術和智能語音識別技術reCOGNIzer,利用多媒體電腦的聲光電刺激，實現(xiàn)對失語癥患者全自動智能訓練康復。
[0004]但是，上述的語言障礙康復系統(tǒng)是一種單向的，通過聲光電外部感覺刺激來實現(xiàn)對失語癥患者康復治療，且治療時間較長，治療設備(一般都需要多媒體電腦)對于老年人操作來說比較復雜，設備所需費用昂貴，普通患者很難承受的起，另外，上述系統(tǒng)無法將患者的思維想法與康復設備聯(lián)系起來，從而很難使患者達到用語言準確表達自己思想的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種腦電語言障礙康復設備，以解決現(xiàn)有技術中的康復系統(tǒng)治療時間長、操作復雜、費用昂貴且無法完成患者用語言準確表達自己思想的目的。
[0006]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種腦電語言障礙康復設備，所述康復設備包括電極帽和控制器，所述電極帽與所述控制器連接；所述電極帽包括信號采集電路、電刺激電路，所述信號采集電路包括兩級放大電路、五階高通濾波電路、陷波電路、主動式高階濾波電路、第一信號傳輸電路，所述腦電信號采集后，依次通過所述兩級放大電路、五階高通濾波電路、陷波電路、主動式高階濾波電路完成腦電信號的去噪與濾波，完成去噪和濾波后的腦電信號經(jīng)過所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)剿隹刂破?；所述控制器包括辨識電路、第二信號傳輸電路，所述辨識電路用于接收到所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號后輸出與設備使用者思維狀態(tài)所對應的特定頻率的數(shù)字信號；所述電刺激電路包括信號接收電路、正弦波發(fā)生電路、脈沖信號發(fā)生電路、電極、電針，所述信號接收電路用于接收所述思維狀態(tài)所對應的特定頻率的數(shù)字信號，所述正弦波發(fā)生電路用于產(chǎn)生基于所述頻率可變的正弦波電壓，所述電極根據(jù)所述正弦波電壓刺激設備使用者大腦的頂葉、顳葉和額葉語言功能區(qū)域；所述電針用于刺激大腦的足少陽膽經(jīng)及督脈，所述脈沖信號發(fā)生電路控制所述電針。
[0007]其中，所述電針的工作參數(shù)包括:頻率50Hz、電壓3V、電流0.1-0.5mA。
[0008]其中，所述第一信號傳輸電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于在所述完成去噪和濾波后的腦電信號經(jīng)過所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)剿隹刂破髑皩⑺鐾瓿扇ピ牒蜑V波后的腦電信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，所述第一信號傳輸電路、第二信號傳輸電路為無線傳輸電路。
[0009]其中，所述虛擬辨識器包括小波包分析算法、時頻空分析算法、支持向量機分類算法，所述小波包分析算法，用于處理接收到的所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號中提取出特征信息形成初始特征，所述時頻空分析算法用于從所述初始特征中選擇特征子集形成特征向量，所述支持向量機分類算法用于根據(jù)所述特征向量將所述接收到的所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號進行特征選取與信號分類。
[0010]其中，在每次使用所述康復設備時，所述電極刺激和所述電針刺激的時間，根據(jù)每次采集的腦電信號的特征確定。
[0011]本發(fā)明的有益效果，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明成本較低、操作簡單、通過采取腦電信號經(jīng)過處理后利用電刺激特定腦部區(qū)域，以及電針刺激腦部足少陽膽經(jīng)和督脈，可以實現(xiàn)患有腦血管病的運動性失語癥患者康復的技術效果，同時，利用本發(fā)明康復時間比較短，在一定的治療周期內(nèi)患者恢復到可以進行簡單交流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結(jié)構示意圖；
[0013]圖中:1_信號采集電路，2-電刺激電路，3-電針，4-控制器，5-電極帽。`【具體實施方式】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解為此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。
[0015]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種腦電語言障礙康復設備，所述康復設備包括電極帽和控制器，所述電極帽與所述控制器連接；所述電極帽包括信號采集電路、電刺激電路，所述信號采集電路包括兩級放大電路、五階高通濾波電路、陷波電路、主動式高階濾波電路、第一信號傳輸電路，所述腦電信號采集后，依次通過所述兩級放大電路、五階高通濾波電路、陷波電路、主動式高階濾波電路完成腦電信號的去噪與濾波，完成去噪和濾波后的腦電信號經(jīng)過所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)剿隹刂破鳎凰隹刂破靼ū孀R電路、第二信號傳輸電路，所述辨識電路用于接收到所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號后輸出與設備使用者思維狀態(tài)所對應的特定頻率的數(shù)字信號；所述電刺激電路包括信號接收電路、正弦波發(fā)生電路、脈沖信號發(fā)生電路、電極、電針，所述信號接收電路用于接收所述思維狀態(tài)所對應的特定頻率的數(shù)字信號，所述正弦波發(fā)生電路用于產(chǎn)生基于所述頻率可變的正弦波電壓，所述電極根據(jù)所述正弦波電壓刺激設備使用者大腦的頂葉、顳葉和額葉語言功能區(qū)域；所述電針用于刺激大腦的足少陽膽經(jīng)及督脈，所述脈沖信號發(fā)生電路控制所述電針。
[0016]本發(fā)明基于腦-機接口(BCI)的人機融合控制系統(tǒng)?！澳X控”涉及神經(jīng)科學、認知科學、控制科學、醫(yī)學、計算機科學和心理學等多個學科，是一個新興的多學科交叉的前沿研究方向。同時，腦機接口技術的迅速發(fā)展為腦控的研究提供了技術支撐，使腦控系統(tǒng)得以實現(xiàn)。腦機接口是通過計算機或其他電子設備在人腦與外界環(huán)境之間，建立一條不依賴于正常的由外周神經(jīng)和肌肉組織的對外信息交流和控制通路。大腦在進行思維活動、產(chǎn)生動作意識或受外界刺激時，神經(jīng)細胞將產(chǎn)生幾十毫伏的電活動，大量神經(jīng)細胞的電活動傳到頭皮表層形成腦電波，此腦電波將體現(xiàn)出某種節(jié)律和空間分布的特征，并可以通過一定的方法加以檢測，再通過信號處理(特征提取和信號分類)從中辨析出人的意圖信號，而將其轉(zhuǎn)換為控制命令，來實現(xiàn)對外部設備的控制和與外界的交流。目前，腦機接口采用的輸入信號包括 P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady2State Visual Evoked Potential, SSVEP)、皮層慢電位(Slow Cortical Potential, SCP)以及μ或β節(jié)律等。其中，基于SCP、μ或β節(jié)律等自發(fā)腦電的腦機接口屬于獨立型腦機接口，人們可以通過學習來控制SCP、μ或β節(jié)律的變化。SCP出現(xiàn)的頻率范圍在0.1-3Ηζ，變化緩慢，持續(xù)時間交叉。由于其頻率較低，在腦電信號低頻濾波時極易被濾掉，因此在實際應用中很少提及。無論是正常人還是存在運動殘疾的人，通過訓練能夠?qū)W會控制β節(jié)律(13-28ΗΖ)的幅度，且在頻域當中幅值明顯，易于采集和控制，因此本次腦機接口輸入信號采用β節(jié)律。
[0017]基于上述原理，本發(fā)明提供了一種腦電語言障礙康復設備的內(nèi)部電路結(jié)構，包括電極帽、控制器，電極帽集成了信號采集電路、電刺激電路。
[0018]本發(fā)明通過非侵入式電極帽采集皮層β節(jié)律信號來實現(xiàn)對腦電信號的采集。由于腦電信號中有工頻的雜波、眼電、心電以及肌電等偽跡，因此，信號將依次通過兩級放大電路，五階高通濾波電路，陷波電路，主動式高階濾波電路，完成腦電信號的去噪與濾波。信號采集電路，輸出的腦電信號通過一個無線通信，傳送到控制器進行處理，控制器利用現(xiàn)場可編程門陣列(Field — Programmable Gate Array, FPGA)實現(xiàn)了信號的處理。本發(fā)明中將信號采集裝置電極帽與信號處理裝置控制器物理隔離，消除了設備使用者與FPGA的電氣連接，使腦電信號采集裝置更便捷，確保了患者的絕對安全。
[0019]本發(fā)明，所述第一信號傳輸電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于在所述完成去噪和濾波后的腦電信號經(jīng)過所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)剿隹刂破髑皩⑺鐾瓿扇ピ牒蜑V波后的腦電信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，所述第一信號傳輸電路、第二信號傳輸電路為無線傳輸電路。
[0020]腦電信號的分類處理主要特征抽取和模式識別。特征抽取的主要作用是從腦電信號中抽取出能夠反映受試者不同思維狀態(tài)的腦電特征，將其轉(zhuǎn)換為特征向量作為模式識別的輸入。特征抽取是腦電信號處理中十分重要的一步，抽取出的特征的好壞將直接影響腦電信號的識別率。模式識別主要是尋找一個以特征向量為輸入的判別函數(shù)，并且能識別出不同的腦電信號。本發(fā)明的核心就是通過FPGA對腦電信號進行信息處理。
[0021]本發(fā)明虛擬辨識器包括小波包分析算法、時頻空分析算法、支持向量機分類算法，所述小波包分析算法，用于處理接收到的所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號中提取出特征信息形成初始特征，所述時頻空分析算法用于從所述初始特征中選擇特征子集形成特征向量，所述支持向量機分類算法用于根據(jù)所述特征向量將所述接收到的所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號進行特征選取與信號分類。
[0022]考慮到皮層β節(jié)律信號頻域特性好，本發(fā)明采用小波包分析算法進行提取。同時，由于自發(fā)EEG信號信噪比低，且某些干擾成分與信號具有相似的時頻特性，單純的時頻特征提取因區(qū)分度不夠，會影響分類效果，本發(fā)明繼續(xù)利用時域-空域分析方法對信號進行綜合處理。
[0023]模式識別是腦電信號處理的重點，本發(fā)明利用支持向量機(Support vectormachine, SVM)對維數(shù)高的非線性數(shù)據(jù)記性處理。
[0024]電刺激裝置由信號接收電路、正弦波發(fā)生電路和脈沖信號發(fā)生電路組成。頻率信號接收電路接收有效腦電波，正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生正弦波電壓，作用于電極刺激患者大腦的頂葉、顳葉和額葉語言功能區(qū)域。正弦波發(fā)生電路用于控制所述電極，脈沖信號發(fā)生電路用于控制所述電針。
[0025]所述電針集成于所述電極帽上，所述電針用于刺激大腦的足少陽膽經(jīng)及督脈。較優(yōu)地，在電極作用一定時間后，所述電針開始發(fā)揮作用。
[0026]其中，所述電針的工作參數(shù)包括:頻率50hz、電壓3V、電流0.1-0.5mA。
[0027]本發(fā)明的有益效果，與現(xiàn)有技術相比，成本較低、操作簡單、通過采取腦電信號經(jīng)過處理后利用電刺激特定腦部區(qū)域，可以實現(xiàn)患有腦血管病的運動性失語癥患者康復的技術效果，同時，實現(xiàn)了中西醫(yī)的結(jié)合，經(jīng)過試驗，還采用了利用電針刺激使用者的特定部位，足少陽膽經(jīng)以及督脈，刺激該特定部位對使用者起到了治療作用，利用本發(fā)明康復時間比較短，在一定的治療周期內(nèi)患者恢復到可以進行簡單交流。
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保 護范圍。
【權利要求】
1. 一種腦電語言障礙康復設備，其特征在于，所述康復設備包括電極帽和控制器，所述電極帽與所述控制器連接；所述電極帽包括信號采集電路、電刺激電路，所述信號采集電路包括兩級放大電路、五階高通濾波電路、陷波電路、主動式高階濾波電路、第一信號傳輸電路，所述腦電信號采集后，依次通過所述兩級放大電路、五階高通濾波電路、陷波電路、主動式高階濾波電路完成腦電信號的去噪與濾波，完成去噪和濾波后的腦電信號經(jīng)過所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)剿隹刂破鳎凰隹刂破靼ū孀R電路、第二信號傳輸電路，所述辨識電路用于接收到所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號后輸出與設備使用者思維狀態(tài)所對應的特定頻率的數(shù)字信號；所述電刺激電路包括信號接收電路、正弦波發(fā)生電路、脈沖信號發(fā)生電路、電極、電針，所述信號接收電路用于接收所述思維狀態(tài)所對應的特定頻率的數(shù)字信號，所述正弦波發(fā)生電路用于產(chǎn)生基于所述頻率可變的正弦波電壓，所述電極根據(jù)所述正弦波電壓刺激設備使用者大腦的頂葉、顳葉和額葉語言功能區(qū)域；所述電針用于刺激大腦的足少陽膽經(jīng)及督脈，所述脈沖信號發(fā)生電路控制所述電針。
2.根據(jù)權利要求1所述的腦電語言障礙康復設備，其特征在于，所述電針的工作參數(shù)包括:頻率50Hz、電壓3V、電流0.1-0.5mA。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的腦電語言障礙康復設備，其特征在于，所述第一信號傳輸電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于在所述完成去噪和濾波后的腦電信號經(jīng)過所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)剿隹刂破髑皩⑺鐾瓿扇ピ牒蜑V波后的腦電信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，所述第一信號傳輸電路、第二信號傳輸電路為無線傳輸電路。
4.根據(jù)權利要求3所述的腦電語言障礙康復設備，其特征在于，所述虛擬辨識器包括小波包分析算法、時頻空分析算法、支持向量機分類算法，所述小波包分析算法，用于處理接收到的所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號中提取出特征信息形成初始特征，所述時頻空分析算法用于從所述初始特征中選擇特征子集形成特征向量，所述支持向量機分類算法用于根據(jù)所述特征向量將所述接收到的所述第一信號傳輸電路傳輸?shù)哪X電信號進行特征選取與信號分類。
5.根據(jù)權利要求4所述的腦電語言障礙康復設備，其特征在于，在每次使用所述康復設備時，所述電極刺激和所述電針刺激的時間，根據(jù)每次采集的腦電信號的特征確定。
【文檔編號】A61N1/36GK103623504SQ201310670548
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權日:2013年12月10日
【發(fā)明者】呂桂澤, 高強, 馬津全, 王穎純, 宋雨, 崔揚 申請人:天津市鳴都科技發(fā)展有限公司