基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统及应用技术方案

一种基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统及应用，包括上位机，分别与上位机相连的嵌入式控制器、便携式脑电采集设备、压力传感器，以及与嵌入式控制器无线连接的下肢康复训练模块，所述压力传感器还连接下肢康复训练模块，还设置有给系统整体供电的电源模块，上位机用于对分别接收到的便携式脑电采集设备所采集的脑电信号和压力传感器所采集的下肢康复训练模块的压力信号进行处理，并生成控制信号，通过嵌入式控制器无线传输给下肢康复训练模块，所述的嵌入式控制器还将接收到的下肢康复训练模块输出使用者下肢的位置信息反馈给上位机。本发明专利技术，可以很好地实现人机交互，能够动态聚合脑电信号通道信息并且同时提取时域特征。域特征。域特征。

A new lower limb rehabilitation training system based on EEG acquisition equipment and its application

【技术实现步骤摘要】
基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统及应用


[0001]本专利技术涉及一种下肢康复训练设备。特别是涉及一种基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统及应用。

技术介绍

[0002]我国现有脑卒中患者数量巨大，原因多样，范围广泛。脑卒中发作后，会引起发病血管所供应的脑区受损，导致单侧或双侧肢体无力。患者需要进行积极的运动康复训练才有希望恢复受损的手部运动功能。此外，对于一些手部骨折或进行过断肢手术的患者，也需要进行康复训练来恢复手部功能。
[0003]传统的康复辅助机器人是通过机器带动肢体做重复性的运动，对控制肢体运动的神经系统进行刺激并促使其重建，康复机器人包含上肢和下肢两种康复机器人，大部分需要他人的辅助帮助患者使用，患者不能主动参与其中，缺乏准确的反馈的机制，不利于患者的积极参与和康复效果的准确反馈。
[0004]便携式脑电采集设备相比于医疗机构的传统脑电采集仪器，在保证采集精度，采集速度满足要求的条件下，具有极小的体积与质量，工作条件要求低，大幅提高了易携性，在脑机接口设备中获得了广泛的应用。尤其是在患者不能长期住院的条件下，便携式脑电采集系统可以为患者提供进行居家脑电监控的条件，为一些需要持续监视脑电变化的病症提供了便利。并且通过对便携式脑电采集设备采集和提取到的脑电信号和康复系统其他传感器采集到的信号进行数据处理后，实现患者与康复系统之间的交互，实现反馈。
[0005]近年来，大量的研究人员将深度学习技术与EEG信号相结合，取得了优于传统方法的结果，并且在跨被试领域也具有强大的泛化能力。但是基于深度学习技术的EEG信号往往也继承了深度学习模型结构设计困难，依赖长时间人工调试的问题，因此针对这些问题，遗传进化算法，强化学习，贝叶斯优化算法等被应用到网络结构搜索过程当中，这些方法的出现一定程度上解决了网络结构设计的难题，让模型根据数据信息自动获取适当的网络结构成为了可能。目前所使用的下肢康复训练系统反馈的是位置、压力信号等，并没有将使用者的主动意图考虑进来，

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种能够对使用者下肢动作意图有效辨识，与使用者完成交互，实现下肢康复训练功能的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统及应用。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，包括上位机，分别与上位机相连的嵌入式控制器、便携式脑电采集设备、压力传感器，以及与嵌入式控制器无线连接的下肢康复训练模块，所述压力传感器还连接下肢康复训练模块，还设置有给系统整体供电的电源模块，上位机用于对分别接收到的便携式脑电采集设备所采集的脑电信号和压力传感器所采集的下肢康复训练模块的压力信号进行处理，并生
成控制信号，通过嵌入式控制器无线传输给下肢康复训练模块，所述的嵌入式控制器还将接收到的下肢康复训练模块输出使用者下肢的位置信息反馈给上位机。
[0008]所述的上位机包括控制模块、内部模块、人机交互界面和脑电信号处理模块，其中，所述的内部模块包括读模块和写模块，所述的读模块用于接收嵌入式控制器传输的下肢康复训练模块输出的使用者下肢关节的角度信号，以及压力传感器输出的下肢康复训练模块的压力信号，读模块以每1ms一次的速率读取接收嵌入式控制器传输的使用者下肢关节的角度和状态信号，并且以每1ms一次的速率作为时间基；所述的写模块是将经控制模块处理生成的信号发送至嵌入式控制器，所述的嵌入式控制器生成并输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号以驱动下肢康复训练模块中的动力输出模块；所述的人机交互界面执行控制模块的命令行显示使用者的训练状态，使用者还通过人机交互界面设置运动强度；所述的脑电信号处理模块是通过提出的一种自适应时空图卷积网络对脑电信号进行处理。
[0009]所述的下肢康复训练模块包括依次连接的：通信模块、电压变换模块、动力输出模块和下肢康复训练设备，其中，通信模块与所述嵌入式控制器无线连接，所述动力输出模块的输出驱动下肢康复训练设备，下肢康复训练设备内设置的角度传感器的输出信号通过通信模块传输给嵌入式控制器，所述压力传感器设置在所述的下肢康复训练设备上，用于将下肢康复训练设备的压力信号传送给下肢康复模块中的通信模块，并由通信模块传输给上位机中的读模块。
[0010]所述的通信模块搭载Wi
‑
Fi无线通信协议栈，工作状态下负载电流为59mA，Wi
‑
Fi最高传输速率54Mbps，接收嵌入式控制器发送的指令并进行解析，通过解包处理，将接收嵌入式控制器发送的数据包解析出对应动作指令，发送给电压变换模块，所述的电压变换模块采用PWM控制输出模式，将通信模块发送的PWM波通过内部电力电子开关器件转为不同电压，加载于动力输出模块；所述的动力输出模块是由步进电机，与步进电机相连的编码器、驱动器和减速器构成，驱动器由电源模块供电，嵌入式控制器的多路PWM信号通过控制驱动器和减速器电压值来改变步进电机的运行状态；安装在步进电机末端的编码器，检测当前的位置信息并反馈给通信模块。
[0011]所述的便携式脑电采集设备包括依次连接的用于采集使用者EEG脑电信号的电极片以及连接装置、用于脑电信号放大和转化的生物电信号采集模块、用于控制生物电信号采集模块的工作和接收生物电信号采集模块输出的EEG脑电信号的STM32处理器和用于传输EEG信号的WIFI无线传输电路，以及分别连接生物电信号采集模块和STM32处理器的电源电路；其中，所述的电极片以及连接装置采集使用者前额叶区域的EEG信号，通过软排线与生物电信号采集模块相连接，用于生物电信号的采集和传输。
[0012]所述的生物电信号采集模块是由生物电信号采集芯片构成，所述的生物电信号采集芯片集成了用于接收电极片以及连接装置采集的EEG脑电信号的高共模抑制比模拟输入模块、用于进行EEG脑电信号放大的低噪声可编程增益放大器和用于将模拟信号转换为数字信号的高分辨率同步采样模数转换器；
[0013]所述的STM32处理器用于控制生物电信号采集模块的采集模式与参数，以及控制WIFI无线传输电路的传输模式与传输速度；
[0014]所述WIFI无线传输电路的输入为所述生物电信号采集模块输出的EEG脑电信号，
并将EEG脑电信号向上位机传输。
[0015]所述的电源电路，输入电压为5V，使用锂电池供电，通过电压转化模块，输出电压为3.3V提供系统所需的工作电压。
[0016]所述的嵌入式控制器是辅助控制器，是通过写模块接收控制模块处理后的信号，生成输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号，所述的嵌入式控制器采集编码器反馈的位置信号和压力传感器反馈的压力信号，为上位机中的控制模块计算控制信号和运动强度提供原始的输入信号，所述的嵌入式控制器与上位机通过串口连接，进行实时的数据交换。
[0017]所述上位机中的脑电信号处理模块接收到便携式脑电采集设备采集的脑电信号后，对脑电信号进行带通滤波处理，将处理后的数据转换为有向图，每个图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，包括上位机(1)，分别与上位机(1)相连的嵌入式控制器(2)、便携式脑电采集设备(3)、压力传感器(4)，以及与嵌入式控制器(2)无线连接的下肢康复训练模块(5)，所述压力传感器(4)还连接下肢康复训练模块(5)，还设置有给系统整体供电的电源模块(6)，其特征在于，上位机(1)用于对分别接收到的便携式脑电采集设备(3)所采集的脑电信号和压力传感器(4)所采集的下肢康复训练模块(5)的压力信号进行处理，并生成控制信号，通过嵌入式控制器(2)无线传输给下肢康复训练模块(5)，所述的嵌入式控制器(2)还将接收到的下肢康复训练模块(5)输出使用者下肢的位置信息反馈给上位机(1)。2.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述的上位机(1)包括控制模块(11)、内部模块(12)、人机交互界面(13)和脑电信号处理模块(14)，其中，所述的内部模块(12)包括读模块(121)和写模块(122)，所述的读模块(121)用于接收嵌入式控制器(2)传输的下肢康复训练模块(5)输出的使用者下肢关节的角度信号，以及压力传感器(4)输出的下肢康复训练模块(5)的压力信号，读模块(121)以每1ms一次的速率读取接收嵌入式控制器(2)传输的使用者下肢关节的角度和状态信号，并且以每1ms一次的速率作为时间基；所述的写模块(122)是将经控制模块(11)处理生成的信号发送至嵌入式控制器(2)，所述的嵌入式控制器(2)生成并输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号以驱动下肢康复训练模块(5)中的动力输出模块；所述的人机交互界面(13)执行控制模块(11)的命令行显示使用者的训练状态，使用者还通过人机交互界面(13)设置运动强度；所述的脑电信号处理模块(14)是通过提出的一种自适应时空图卷积网络(ASTGCN)对脑电信号进行处理。3.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述的下肢康复训练模块(5)包括依次连接的：通信模块(51)、电压变换模块(52)、动力输出模块(53)和下肢康复训练设备(54)，其中，通信模块(51)与所述嵌入式控制器(2)无线连接，所述动力输出模块(53)的输出驱动下肢康复训练设备(54)，下肢康复训练设备(54)内设置的角度传感器的输出信号通过通信模块(51)传输给嵌入式控制器(2)，所述压力传感器(4)设置在所述的下肢康复训练设备(54)上，用于将下肢康复训练设备(54)的压力信号传送给下肢康复模块(5)中的通信模块(51)，并由通信模块(51)传输给上位机(1)中的读模块(121)。4.根据权利要求3所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述的通信模块(51)搭载Wi
‑
Fi无线通信协议栈，工作状态下负载电流为59mA，Wi
‑
Fi最高传输速率54Mbps，接收嵌入式控制器(2)发送的指令并进行解析，通过解包处理，将接收嵌入式控制器(2)发送的数据包解析出对应动作指令，发送给电压变换模块(52)，所述的电压变换模块(52)采用PWM控制输出模式，将通信模块(51)发送的PWM波通过内部电力电子开关器件转为不同电压，加载于动力输出模块(53)；所述的动力输出模块(53)是由步进电机，与步进电机相连的编码器、驱动器和减速器构成，驱动器由电源模块(6)供电，嵌入式控制器(2)的多路PWM信号通过控制驱动器和减速器电压值来改变步进电机的运行状态；安装在步进电机末端的编码器，检测当前的位置信息并反馈给通信模块(51)。5.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述的便携式脑电采集设备(3)包括依次连接的用于采集使用者EEG脑电信号的电极片以及
连接装置(31)、用于脑电信号放大和转化的生物电信号采集模块(32)、用于控制生物电信号采集模块(32)的工作和接收生物电信号采集模块(32)输出的EEG脑电信号的STM32处理器(33)和用于传输EEG信号的WIFI无线传输电路(34)，以及分别连接生物电信号采集模块(32)和STM32处理器(33)的电源电路(35)；其中，所述的电极片以及连接装置(31)采集使用者前额叶区域的EEG信号，通过软排线与生物电信号采集模块(32)相连接，用于生物电信号的采集和传输。6.根据权利要求5所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述的生物电信号采集模块(32)是由生物电信号采集芯片构成，所述的生物电信号采集芯片集成了用于接收电极片以及连接装置(31)采集的EEG脑电信号的高共模抑制比模拟输入模块、用于进行EEG脑电信号放大的低噪声可编程增益放大器和用于将模拟信号转换为数字信号的高分辨率同步采样模数转换器；所述的STM32处理器(33)用于控制生物电信号采集模块(32)的采集模式与参数，以及控制WIFI无线传输电路(34)的传输模式与传输速度；所述WIFI无线传输电路(34)的输入为所述生物电信号采集模块(32)输出的EEG脑电信号，并将EEG脑电信号向上位机(1)传输。所述的电源电路(35)，输入电压为5V，使用锂电池供电，通过电压转化模块，输出电压为3.3V提供系统所需的工作电压。7.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述的嵌入式控制器(2)是辅助控制器，是通过写模块(122)接收控制模块(11)处理后的信号，生成输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号，所述的嵌入式控制器(2)采集编码器反馈的位置信号和压力传感器(4)反馈的压力信号，为上位机(1)中的控制模块(11)计算控制信号和运动强度提供原始的输入信号，所述的嵌入式控制器(2)与上位机(1)通过串口连接，进行实时的数据交换。8.根据权利要求2所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统，其特征在于，所述上位机(1)中的脑电信号处理模块(14)接收到便携式脑电采集设备采集的脑电信号后，对脑电信号进行带通滤波处理，将处理后的数据转换为有向图，每个图代表着不同动作的标签，图中的每个节点及对应的节点值分别表示电极通道和脑电信号，节点与节点之间的边表示电极通道之间的连接；所述的脑电信号处理模块(14)是采用自适应时空图卷积网络对脑电信号进行处理。所述的自适应时空图卷积网络由五层组成，分别是依...

【专利技术属性】
技术研发人员：董娜，刘首甫，高忠科，马文庆，刘勇，赵思思，吴威，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：