[发明专利]双模态脑-机交互式运动神经反馈训练装置和方法

说明书

本发明属于生物医学工程器械领域，为训练提升运动神经功能，改善运动神经反馈训练效果，更符合正常思维行动控制过程和接近实际交互应用，本发明采取的技术方案是，双模态脑‑机交互式运动神经反馈训练装置和方法，采集人体头皮脑电生理信息，采集脑血氧信息，利用计算机实时读取并处理脑电生理及脑血氧水平特征，应用动态短时傅里叶分析计算相对ERD能量值，动态血氧浓度负相关分析叠加平均血氧浓度水平，依据左、右脑区分布情况，决策是否驱动视听觉反馈和基于电刺激的本体感觉反馈。本发明主要应用于医疗器械设计制造场合。

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，具体讲涉及双模态脑-机交互式运动神经反馈训练方法。

背景技术

生物反馈训练技术(Biofeedback Training)通过呈现可被人体感知的生理信息，并以此作为信号标识不断训练人体学习、调控自身固有或特有机能，达到自主调节(self-regulation)的目标[1]。近年来，生物反馈用于特定人群或任务的神经功能训练，提升或改善某些特定的控制能力已成为主动式神经训练的热点手段。其中，特别是神经反馈训练(Neurofeedback training，NFT)作为一种直接训练大脑机能的主动式干预手段，通过传感装置实时获取神经生理信号，并借助先进的信息处理技术完成大脑信息的快速解码，匹配以视听、触觉等多种刺激方式，可实现在线反馈大脑工作状态与运行性能的闭环训练(神经反馈训练系统模型如图1所示)。

已有研究发现，利用神经反馈技术调控大脑活动的同时，会伴随个体相应的认知和行为的改变[2]，故该项技术越来越多在军事、航天等领域被应用于增强大脑神经功能。在运动神经训练层面，研究表明，通过运动想象任务，用户通过实时神经反馈训练可以学会增强对躯体运动皮层的控制，诱导出辅助运动区(Supplementary Motor Area，SMA)的激活，且程度可达到真实运动造成的躯体运动皮层的激活水平，为运动功能训练提供了可能[3]；在神经认知增强层面，该技术在高强度作业下神经功能增强的作用日益凸显。应用基于EEG信号调控的神经反馈治疗卒中后抑郁常用的方法是提高半球内中α波非对称性、降低左前额叶θ/β波幅值及增强感觉运动节律波(Sensorimotor Rhythm，SMR)训练等，而改善卒中后焦虑症状的神经反馈治疗常采用增强α/θ波、抑制β波等训练方式。

神经反馈具有简单、安全、方便的特点及无创、无刺激、无副作用等优点，值得在人工智能领域应用和推广。然而，如何解码复杂的脑信息并利用神经反馈技术建立完整有效的反馈环路是在智能控制中面临的重要挑战，因此针对个体差异性，有效提取相关脑特征、综合评价神经功能表现并根据不同人群基于神经反馈训练得出的不同性能指标(包括静息态活动、解剖型脑结构、人格特质)制定相应的训练方法亟需进一步深入的研究[4][5]。此外，在脑-机接口的研究中，运动想象作为一种主动式人机交互范式，更加符合正常人大脑思维活动方式，在一定程度的训练后，使用者便可进行在线运动想象脑-机接口(MotorImagery based BCI，MI-BCI)系统的交互控制。此外，系统控制信号源一般使用来自于使用者运动想象过程中头皮脑电的能量特征，可进行一段较长时间段的累加或优化来控制指令输出，有较强的可操作性。基于上述优点我们可以看出，对于运动想象的深入研究及开发一种脑-机交互式运动神经反馈系统方法，更加清楚地了解人类大脑，实现真正的人机交互，具有很强的理论与应用价值[6]-[8]。

总之，依托运动与认知相关神经机制和神经工程相关技术手段，完善训练中神经信息解码、调控和反馈各环节性能参数，进而指导实现最优的训练设计(神经反馈环路模型如图2所示)，以期更好地发挥神经反馈在运动功能增强中的重要作用，也是实现神经功能高效修复与重建、增强训练进程有效监测评价、智能化人工神经机器人研发设计的必由之路[9][10]。

参考文献：