基于脑-机接口的注意力调控系统技术方案

本发明专利技术属于认知及运动康复领域，具体涉及一种基于脑‑机接口的注意力调控系统，旨在为了解决现有的康复训练系统不能有效调动患者积极性，患者神经参与度低下，从而导致康复训练效果不明显的问题。本发明专利技术包括信号采集装置、中央处理装置、第一目标生成装置、第二目标生成装置、反馈装置。通过信号采集装置采集脑电波数据和参与者的运动状态数据，通过中央处理装置得到第一调整变量和第二调整变量，基于第一调整变量、第二调整变量和运行状态数据分别控制第一目标和第二目标的运行，并将运行状态实时反馈给参与者。本发明专利技术能够在康复训练过程中提高训练内容的趣味性和娱乐性，调动患者积极性，提高康复训练效果。

Attention regulation system based on brain computer interface

The invention belongs to the field of cognitive and sports rehabilitation, in particular to an attention regulation system based on the brain \u2011 machine interface, which aims to solve the problem that the existing rehabilitation training system can not effectively mobilize the enthusiasm of the patients, and the patients' nerve participation is low, so that the rehabilitation training effect is not obvious. The invention includes a signal acquisition device, a central processing device, a first target generating device, a second target generating device and a feedback device. Brain wave data and participant's motion state data are collected by the signal acquisition device, and the first adjustment variable and the second adjustment variable are obtained by the central processing device. Based on the first adjustment variable, the second adjustment variable and the operation state data, the operation of the first target and the second target are controlled respectively, and the operation state is fed back to the participant in real time. The invention can improve the interest and entertainment of the training content, mobilize the enthusiasm of the patients and improve the rehabilitation training effect in the rehabilitation training process.

【技术实现步骤摘要】
基于脑-机接口的注意力调控系统
本专利技术属于认知及运动康复领域，具体涉及一种基于脑-机接口的注意力调控系统。
技术介绍
脑电信号是人体一种基本生理信号，蕴涵着丰富的生理、心理及病理信息，在临床医学方面，脑电信号处理不仅可为某些脑疾病提供诊断依据,而且还为某些脑疾病提供了有效的治疗手段。在工程应用方面，人们也尝试利用脑电信号实现脑-计算机接口。由于人对不同的感觉、运动或认知活动产生的脑电不同,通过对脑电信号的有效的提取和分类达到某种控制目的。目前，由于脑血管阻塞或破裂而导致的中风患者越来越多。为了恢复患者的日常生活能力，他们在经过急性期治疗以后，需要经历长时间的康复锻炼。然而，中风患者，尤其是有注意力缺陷障碍的患者，很难长时间投入到日常的高重复性锻炼中去，从而导致中风患者在训练过程中神经参与度及注意力低下的现象。研究表明，患者主动参与的康复训练对于中风病人的运动及认知功能的康复有显著的促进作用。现有的康复训练系统不能有效调动患者积极性，中风病人在康复训练过程中神经参与度低下，从而导致康复训练效果不明显，因此亟需一种能够调动患者积极性、实现患者主动参与的基于脑-机接口的注意力调控系统。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的康复训练系统不能有效调动患者积极性，中风病人在康复训练过程中神经参与度低下，从而导致康复训练效果不明显的问题，本专利技术提出了一种基于脑-机接口的注意力调控系统，该系统包括信号采集装置、中央处理装置、第一目标生成装置、第二目标生成装置、反馈装置；所述信号采集装置包括脑电波采集单元和运动状态采集单元；所述脑电波采集单元用于获取参与者训练时的脑电波数据，所述运动状态采集单元用于获取参与者训练时的运动状态数据；所述中央处理装置，配置为通过对所述脑电波数据进行注意力水平计算，得到参与者注意力分值；基于所述参与者注意力分值，通过预先设定的第一调整策略生成第一调整变量，通过预先设定的第二调整策略生成第二调整变量；所述第一调整策略为参与者注意力分值与调整变量的映射函数，所述第二调整策略为参与者注意力分值落入预设区间时预设速度变量计算函数；所述第一目标生成装置，配置为生成第一目标，并基于所述第一调整变量和所述运动状态数据的乘积获取第一目标运行参数，所述第一目标以所述第一目标运行参数运行；所述第二目标生成装置，配置为生成第二目标，并基于所述第二调整变量和当前时刻第二目标运行状态数据获取下一时刻第二目标运行参数；所述第二目标，当参与者注意力分值落入预设区间时以所述下一时刻第二目标运行参数运行，当参与者注意力分值未落入预设区间时保持当前时刻运行状态；所述反馈装置，配置为将所述第一目标和所述第二目标的运行状态输出。在一些优选的实施方式中，所述第一目标生成装置和所述第二目标生成装置分别采用虚拟现实技术生成所述第一目标和所述第二目标。在一些优选的实施方式中，所述第一目标和第二目标为同一竞技游戏中的仿真人物。在一些优选的实施方式中，所述第一目标运行参数和所述第二目标运行参数为运行速度和运行距离。在一些优选的实施方式中，所述参与者注意力分值落入预设区间时预设速度变量z计算函数为：其中，Δvt是归一化后的陪伴者和参与者速度差，Δxt是是归一化后的陪伴者和参与者距离差。在一些优选的实施方式中，所述参与者注意力分值，其计算方法为：其中，c表示脑电通道索引值，范围是1到n；E(theta)表示theta波的能量；E(beta)表示beta波的能量。在一些优选的实施方式中，所述参与者注意力分值TBR与调整变量y的映射函数为：其中，Boundrylow是低注意力区间的左端点，也是中注意力区间的右端点；Boundrymid是中注意力区间的左端点，也是高注意力区间的右端点。在一些优选的实施方式中，所述脑电波采集单元为多通道的脑电波采集单元。在一些优选的实施方式中，所述运动状态采集单元包含一个或多个运动状态传感器，每个运动状态传感器对应一个运动状态下一个指标数据的信号采集。在一些优选的实施方式中，所述反馈装置将运行状态以多模态形式输出。本专利技术的有益效果：本专利技术基于信号采集装置采集的脑电波数据和参与者的运动状态数据，生成第一目标和第二目标的运行参数，实现第一目标和第二目标的控制；本专利技术能够在康复训练过程中提高训练内容的趣味性和娱乐性，调动患者积极性，提高康复训练效果；还可根据参与者的注意力水平，调整虚拟场景中参与者的骑行速度与实际骑行速度的关系，不断调整游戏难度。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本专利技术一种实施例的基于脑-机接口的注意力调控系统结构示意图；图2是本专利技术一种实施例的不同注意力区间平均注意力分值的矫正范式示意图；图3是本专利技术一种实施例的第一目标和第二目标示例图；图4是本专利技术一种实施例的不同实验范式下额叶区的平均脑频谱图；图5是本专利技术一种实施例的不同实验范式下颞叶区的平均脑频谱图；图6是本专利技术一种实施例的不同实验范式下顶叶区的平均脑频谱图；图7是本专利技术一种实施例的不同实验范式下枕叶区的平均脑频谱图；图8是本专利技术一种实施例的不同实验范式下运动区域的平均脑频谱图；图9是本专利技术一种实施例的基于脑-机接口的注意力调控系统使用示例图；图10是本专利技术一种实施例的实验组中一名参与者在实验过程中的注意力变化曲线图；图11是本专利技术一种实施例的控制组和实验组参与者注意力分值个数统计图；图12是本专利技术一种实施例的控制组和实验组参与者的注意力水平和跟踪精度示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关专利技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本专利技术的一种基于脑-机接口的注意力调控系统100，如图1所示，该系统包括信号采集装置110、中央处理装置120、第一目标生成装置130、第二目标生成装置140、反馈装置150；信号采集装置110包括脑电波采集单元111和运动状态采集单元112；脑电波采集单元111用于获取参与者训练时的脑电波数据，运动状态采集单元112用于获取参与者训练时的运动状态数据；中央处理装置120，配置为通过对脑电波数据进行注意力水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脑-机接口的注意力调控系统，其特征在于，该系统包括信号采集装置、中央处理装置、第一目标生成装置、第二目标生成装置、反馈装置；/n所述信号采集装置包括脑电波采集单元和运动状态采集单元；所述脑电波采集单元用于获取参与者训练时的脑电波数据，所述运动状态采集单元用于获取参与者训练时的运动状态数据；/n所述中央处理装置，配置为通过对所述脑电波数据进行注意力水平计算，得到参与者注意力分值；基于所述参与者注意力分值，通过预先设定的第一调整策略生成第一调整变量，通过预先设定的第二调整策略生成第二调整变量；所述第一调整策略为参与者注意力分值与调整变量的映射函数，所述第二调整策略为参与者注意力分值落入预设区间时预设速度变量计算函数；/n所述第一目标生成装置，配置为生成第一目标，并基于所述第一调整变量和所述运动状态数据的乘积获取第一目标运行参数，所述第一目标以所述第一目标运行参数运行；/n所述第二目标生成装置，配置为生成第二目标，并基于所述第二调整变量和当前时刻第二目标运行状态数据获取下一时刻第二目标运行参数；所述第二目标，当参与者注意力分值落入预设区间时以所述下一时刻第二目标运行参数运行，当参与者注意力分值未落入预设区间时保持当前时刻运行状态；/n所述反馈装置，配置为将所述第一目标和所述第二目标的运行状态输出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于脑-机接口的注意力调控系统，其特征在于，该系统包括信号采集装置、中央处理装置、第一目标生成装置、第二目标生成装置、反馈装置；
所述信号采集装置包括脑电波采集单元和运动状态采集单元；所述脑电波采集单元用于获取参与者训练时的脑电波数据，所述运动状态采集单元用于获取参与者训练时的运动状态数据；
所述中央处理装置，配置为通过对所述脑电波数据进行注意力水平计算，得到参与者注意力分值；基于所述参与者注意力分值，通过预先设定的第一调整策略生成第一调整变量，通过预先设定的第二调整策略生成第二调整变量；所述第一调整策略为参与者注意力分值与调整变量的映射函数，所述第二调整策略为参与者注意力分值落入预设区间时预设速度变量计算函数；
所述第一目标生成装置，配置为生成第一目标，并基于所述第一调整变量和所述运动状态数据的乘积获取第一目标运行参数，所述第一目标以所述第一目标运行参数运行；
所述第二目标生成装置，配置为生成第二目标，并基于所述第二调整变量和当前时刻第二目标运行状态数据获取下一时刻第二目标运行参数；所述第二目标，当参与者注意力分值落入预设区间时以所述下一时刻第二目标运行参数运行，当参与者注意力分值未落入预设区间时保持当前时刻运行状态；
所述反馈装置，配置为将所述第一目标和所述第二目标的运行状态输出。


2.根据权利要求1所述的基于脑-机接口的注意力调控系统，其特征在于，所述第一目标生成装置和所述第二目标生成装置分别采用虚拟现实技术生成所述第一目标和所述第二目标。


3.根据权利要求2所述的基于脑-机接口的注意力调控系统，其特征在于，所述第一目标和第二目标为同一竞技游戏中的仿真人物。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王卫群，侯增广，王佳星，梁旭，任士鑫，石伟国，彭亮，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11