本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程中腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練及腦機(jī)接口,具體涉及一種腦機(jī)接口三維空間運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、為加快腦卒中患者在康復(fù)訓(xùn)練中的恢復(fù)速度，改善傳統(tǒng)康復(fù)治療訓(xùn)練中主要包括的物理治療、運(yùn)動訓(xùn)練和藥物治療等手段所存在的問題，比如需要專業(yè)指導(dǎo)人員和費(fèi)用高昂等，近期蓬勃發(fā)展的腦機(jī)接口(brain-computer?interface,bci)技術(shù)被應(yīng)用于腦卒中患者康復(fù)治療中。腦機(jī)接口康復(fù)技術(shù)使得卒中患者能夠直接通過腦電信號自主控制康復(fù)機(jī)器人，進(jìn)而帶動卒中患者的相應(yīng)患肢運(yùn)動，從而完成康復(fù)訓(xùn)練。在激發(fā)能夠控制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)動的相應(yīng)腦電信號的相關(guān)技術(shù)中，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state?visual?evokedpotential，ssvep)因?yàn)槠漤憫?yīng)突出、不易受到噪聲干擾的特點(diǎn)備受關(guān)注，在ssvep應(yīng)用中，如何呈現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的、且能夠?yàn)橛脩魩硪欢ǖ某两械恼T導(dǎo)刺激圖像，是提高系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確率以及靈敏度的關(guān)鍵。

2、傳統(tǒng)的ssvep是由發(fā)光二極管或計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)視覺刺激屏幕激發(fā)的，然而這些激發(fā)設(shè)備體積龐大，系統(tǒng)的可移動性較差，同時(shí)也使與現(xiàn)實(shí)世界對象的交互變得不直觀，不適用于康復(fù)訓(xùn)練。且傳統(tǒng)設(shè)備只能呈現(xiàn)二維ssvep刺激，難以支持三維空間訓(xùn)練任務(wù)的完成，弱化了訓(xùn)練成果。例如專利多模態(tài)異步bci與視覺融合的機(jī)器人協(xié)同控制方法及系統(tǒng)(公開號：cn117260714a)，在屏幕空間布置了15個腦控視覺刺激目標(biāo)，每個指令映射到3d空間中的機(jī)械臂動作指令，使用時(shí)空間感較弱，難以誘導(dǎo)用戶將視覺刺激對應(yīng)與動作指令上。

3、隨著3d顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，3d形式的視覺刺激可以呈現(xiàn)三維空間中的交互訓(xùn)練場景與視覺刺激目標(biāo)，具有較強(qiáng)的沉浸感，有助于患者進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練。例如，常見的呈現(xiàn)3d形式刺激的方式有觀察人員佩戴基于偏振光原理的3d眼鏡、佩戴vr(virtual?reality)眼鏡或ar(augmented?reality)眼鏡三種。例如專利基于虛擬現(xiàn)實(shí)-腦機(jī)接口的視覺感知功能評估系統(tǒng)(公開號：cn118236074a)，通過偏振式顯示器與眼鏡呈現(xiàn)手指移動至人眼前的三維視覺刺激，誘發(fā)腦電信號中與刺激相關(guān)的特征；但該技術(shù)對于平時(shí)就需要配戴近視眼鏡的人群不太友好。對于卒中患者而言，長時(shí)間的佩戴也會引起身體的不適，不利于患者的康復(fù)。專利基于vr的多場景自主式控制的混合腦機(jī)接口在線系統(tǒng)(公開號：cn112990074b)，利用vr頭盔呈現(xiàn)虛擬腦機(jī)接口3d應(yīng)用場景控制，由于是完全虛擬場景的呈現(xiàn)，與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互性較差，很容易使用戶在使用時(shí)產(chǎn)生暈眩感。專利基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)誘發(fā)的腦機(jī)接口技術(shù)方法(公開號：cn113434040b)，使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將虛擬三維物體作為閃爍刺激源疊加在現(xiàn)實(shí)場景圖片之上，構(gòu)建出腦機(jī)接口控制場景與ssvep虛擬三維物體刺激目標(biāo)，與現(xiàn)實(shí)空間交互，具有虛實(shí)融合的刺激效果，但該技術(shù)使用的腦機(jī)接口刺激仍為平面閃爍形態(tài)，沒有強(qiáng)烈的立體空間感，而且ar設(shè)備較為沉重，在較長時(shí)間的佩戴后很容易產(chǎn)生身體上的疲勞，比如脖子酸痛，舒適感較差，對康復(fù)病人的恢復(fù)不利。

4、裸眼3d技術(shù)是指用戶不借助任何額外的眼鏡或可穿戴設(shè)備，僅用裸眼3d顯示屏，將平面二維圖片源或視頻源呈像出人眼可感知的三維立體效果，使用簡便、舒適，支持三維空間訓(xùn)練場景的快速搭建，未經(jīng)過相關(guān)訓(xùn)練的人群也可以快速適應(yīng)，是更加適用于三維空間康復(fù)訓(xùn)練的腦機(jī)接口視覺刺激呈現(xiàn)載體。目前還沒有將其用于腦機(jī)接口三維空間運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練的文獻(xiàn)公開。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種腦機(jī)接口三維空間運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及方法，基于裸眼3d技術(shù)呈現(xiàn)刺激界面，支持使用者通過穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦控方法操作裸眼3d顯示屏上的目標(biāo)指示點(diǎn)三維運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)際環(huán)境中的康復(fù)機(jī)器人跟隨指引點(diǎn)帶動患肢在三維空間運(yùn)動，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練，為用戶提供沉浸感的立體化場景，以舒適高效的完成三維空間運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練；具備交互體驗(yàn)好、眩暈感低、更加穩(wěn)定的效果。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種腦機(jī)接口三維空間運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括裸眼3d刺激顯示模塊、空間運(yùn)動訓(xùn)練場景模塊、腦電信號采集與分析模塊和康復(fù)機(jī)器人模塊；

4、裸眼3d刺激顯示模塊：裸眼3d刺激顯示模塊主要為基于柱狀透鏡技術(shù)的裸眼3d顯示屏，裸眼3d顯示屏底部具備眼球捕捉攝像頭，使右眼圖像聚焦于觀看者右眼，左眼圖像聚焦于觀看者左眼，由于視差的存在，使用者能夠觀察到立體圖像或視頻；

5、空間運(yùn)動訓(xùn)練場景模塊：作用為裸眼3d刺激顯示模塊呈現(xiàn)ssvep視覺刺激誘導(dǎo)訓(xùn)練場景界面，視覺刺激誘導(dǎo)訓(xùn)練場景界面的繪制,分為左眼可視和右眼可視兩部分，二者內(nèi)容相同，但是存在視差，因此經(jīng)裸眼3d刺激顯示模塊顯示后出現(xiàn)立體感；在視覺刺激誘導(dǎo)訓(xùn)練場景界面中，存在ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)與空間位置反饋目標(biāo)；ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)作用為誘發(fā)ssvep腦特征，空間位置反饋目標(biāo)作用為顯示空間中運(yùn)動位置，根據(jù)特征腦響應(yīng)所對應(yīng)的控制指令在三維空間中進(jìn)行移動；

6、腦電信號采集與分析模塊：包括腦電信號放大器、腦電帽以及信號處理算法；使用者通過注視不同的刺激，從而產(chǎn)生對應(yīng)的腦電響應(yīng)信號，再經(jīng)由腦電信號采集裝置采集后，實(shí)時(shí)保存為對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；腦電誘發(fā)信號的采集位置位于腦部枕區(qū)附近，選擇腦部對應(yīng)的電極導(dǎo)聯(lián)；腦電響應(yīng)信號收集完成后，通過信號處理算法對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得刺激頻率結(jié)果后，輸出對應(yīng)控制指令至康復(fù)機(jī)器人模塊；

7、康復(fù)機(jī)器人模塊：作用為接收腦電信號采集與分析模塊發(fā)送的控制指令，帶動患肢運(yùn)動到空間位置反饋目標(biāo)所在的現(xiàn)實(shí)三維空間位置從而完成動作訓(xùn)練；康復(fù)機(jī)器人模塊硬件包括末端牽引康復(fù)機(jī)器人類型，牽引上肢運(yùn)動并跟蹤運(yùn)動到空間運(yùn)動訓(xùn)練場景模塊中的空間位置反饋目標(biāo)位置。

8、所述的裸眼3d刺激顯示模塊中的裸眼3d顯示屏，是通過在顯示屏前增加一個多透鏡屏，用一排垂直排列的柱面透鏡控制左右圖像的射向。

9、所述的空間運(yùn)動訓(xùn)練場景模塊的視覺刺激誘導(dǎo)訓(xùn)練場景界面中具有多個ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)，每個ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)按照不同頻率進(jìn)行3d往復(fù)立體運(yùn)動或平面往復(fù)運(yùn)動或閃爍。

10、所述的ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)形狀為箭頭型、圓形、矩形或放射線型的平面或立體形狀。

11、所述的3d往復(fù)立體運(yùn)動由刺激目標(biāo)放大縮小的往復(fù)平面運(yùn)動和視差變化的往復(fù)縱深運(yùn)動所組成，可以在刺激過程中誘發(fā)腦電對立體運(yùn)動的感知；平面往復(fù)運(yùn)動由刺激目標(biāo)放大縮小運(yùn)動或往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或往返直線、曲線運(yùn)動構(gòu)成；閃爍為按一定頻率的亮度、對比度或色彩周期性變化。

12、所述的ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)的可調(diào)參數(shù)包括刺激圖像紋理、刺激圖像變化頻率、刺激圖像尺寸和頻率變化波形。

13、所述的腦電信號采集與分析模塊的信號處理算法采用典型相關(guān)分析信號處理算法(canonical?correlation?analysis，cca)。

14、利用一種腦機(jī)接口三維空間運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的方法，包括以下步驟：

15、步驟1，佩戴腦電信號采集與分析模塊中的腦電帽，調(diào)整使用者與裸眼3d顯示屏的距離；

16、步驟2，運(yùn)行初始化程序，康復(fù)機(jī)器人模塊中的康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動到初始位置，并將使用者患肢固定在康復(fù)機(jī)器人的末端；

17、步驟3，運(yùn)行程序，空間運(yùn)動訓(xùn)練場景模塊打開空間運(yùn)動訓(xùn)練場景；

18、步驟4，空間運(yùn)動訓(xùn)練場景呈現(xiàn)，使用者注視不同ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)以控制空間位置反饋目標(biāo)位置；

19、步驟5，腦電信號采集與分析模塊采集分析腦信號，依據(jù)典型相關(guān)分析信號處理算法(canonical?correlation?analysis，cca)，計(jì)算各頻率所對應(yīng)的cca系數(shù)，如果cca系數(shù)未超出設(shè)定閾值，則認(rèn)為使用者處于空閑狀態(tài)，如果cca系數(shù)超出設(shè)定閾值，則認(rèn)為使用者處于主動訓(xùn)練狀態(tài)，選取最大的cca系數(shù)所對應(yīng)的頻率作為對刺激信號的響應(yīng)識別結(jié)果，該頻率所對應(yīng)使用者所注視的ssvep誘發(fā)刺激目標(biāo)以及控制指令，空間位置反饋目標(biāo)根據(jù)控制指令進(jìn)行運(yùn)動；

20、步驟6，康復(fù)機(jī)器人同步根據(jù)腦控信號判斷結(jié)果開始響應(yīng)，實(shí)時(shí)跟隨空間位置反饋目標(biāo)，帶動使用者患肢，從而完成主動訓(xùn)練任務(wù)；

21、步驟7，重復(fù)步驟4-6，進(jìn)行連續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練，最后規(guī)定時(shí)間后結(jié)束訓(xùn)練任務(wù)。

22、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

23、由于本發(fā)明采用基于裸眼3d呈現(xiàn)技術(shù)的ssvep誘發(fā)腦機(jī)康復(fù)，利用裸眼3d顯示器無需佩戴vr、ar或偏振光眼鏡的特性減少3d暈眩，所以具有高易用性和高舒適性的特點(diǎn)；由于本發(fā)明設(shè)計(jì)的ssvep誘發(fā)刺激及其訓(xùn)練場景界面，將腦控虛擬刺激目標(biāo)、誘導(dǎo)目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)空間坐標(biāo)一一對應(yīng)，解決了虛實(shí)結(jié)合三維運(yùn)動交互訓(xùn)練的問題，所以具有將康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)與現(xiàn)實(shí)生活動作關(guān)聯(lián)的能力，可強(qiáng)化真實(shí)動作訓(xùn)練效果；ssvep刺激形態(tài)包含往復(fù)立體運(yùn)動，可以在刺激過程中誘發(fā)腦電對立體運(yùn)動的感知，強(qiáng)化使用者的三維空間沉浸感，提高ssvep誘發(fā)的腦電響應(yīng)特征強(qiáng)度。

24、本發(fā)明操作簡便，使用者無需經(jīng)過復(fù)雜的培訓(xùn)工作就可以熟練掌握；此外，識別準(zhǔn)確率較高，支持復(fù)雜三維空間運(yùn)動訓(xùn)練模式，是一種高效的腦控康復(fù)訓(xùn)練方式。