[发明专利]基于脑血氧和肌电信号的康复训练方法及系统

权利要求书

1.一种基于脑血氧和肌电信号的康复训练系统，包括：同步信息采集模块，处理分析模块和反馈模块，其特征在于：同步信息采集模块用于采集受训者的近红外脑血氧以及肌电信号；处理分析模块用于处理和分析从同步信息采集模块同步采集到的脑血氧信号和肌电信号，其中处理分析模块对脑血氧信号处理分析包括：对接收到的脑血氧信号利用滑动平均窗口平均化异常数据，去除脑血氧信号中的脉冲型干扰噪声；基于移动标准差和样条插值的方法检测和去除运动伪影；利用巴特沃斯滤波去除长距离的基线漂移且最大程度地保留信号的幅值和相位信息，然后使用复数域的Morlet小波对每个通道的血氧浓度信号进行小波分析，计算血氧信号的小波幅值，以确定脑区激活度；处理分析模块对肌电信号处理分析包括：利用自适应滤波器去除接收到的肌电信号的工频噪声，对去除工频干扰之后的肌电信号进行时域特征与频域特征提取分析，以确定肌肉激活度和肌肉疲劳度；反馈模块用于根据处理分析模块处理和分析后的脑血氧信号和肌电信号判断受训者的训练是否超出了正常标准，如果是，则调整训练设备的参数；同步信息采集模块包括近红外光谱仪，用于采集受训者的靶向脑区及其它有关功能连接的脑血氧信号；以及表面肌电仪，用于采集受训者的肌电信号；近红外光谱仪的近红外探头布置采用国际脑电图10-20/10-10系统辅助定位法，标准探头间距为30mm，近红外信号覆盖大脑额叶、顶叶和枕叶区域的近红外光源探头模板，相邻的光源和探头构成一个近红外监测通道来监测大脑皮层的脑血氧信号，每个脑区3个通道，将康复训练过程中实时监测到的脑血氧信号传输至处理分析模块；

所述的康复训练系统，其中使用复数域的Morlet小波对每个通道的血氧浓度信号进行小波分析包括：

将小波基函数ψ(t)定义为：

其中，s为尺度因子，t₀为当前时间位置参数；

尺度s与频率f的关系为：

其中，fc为小波变换中心频率，取1Hz；δt为设定的采样周期，采样频率为10Hz，能满足所感兴趣波段的基本采样需求，则对应的δt为0.1s；

脑血氧信号通过小波变换得到的小波系数：

其中x(t)是经过滤波处理的脑血氧时间序列，t是时间参数，G(f,t)是小波系数；

对所述小波系数进行时域均值运算得到小波系数频域均值，最后在频域上对所述小波系数频域均值积分得到小波幅值WA，

f是频率，n是采样点数，t_n是时间序列；

分别计算脑皮层3个通道的脑血氧信号的小波幅值WA₁、WA₂WA₃，所述3个通道小波幅值的均值作为脑区激活度指标N：

肌肉激活度和肌肉疲劳度按如下方式计算：

肌电信号时域特征包括积分肌电值iEMG、均方根值RMS，

将积分肌电值iEMG定义式如下：

其中，EMG(t)是去除工频干扰之后的肌电信号，iEMG是指一段时间内(t-t+T)肌电信号曲线与时间轴所包围的面积总和；

均方根值RMS定义式如下：

其中，X_i是原始肌电信号，N_i是时间窗的长度，RMS是肌电信号振幅的平均值的变化情况；

肌电信号的频域特征是将其时域信号通过傅里叶变换转变为频域信号，频域特征包括平均功率频率MPF和中值频率MF；

将平均功率频率MPF定义如下：

中位频率MF定义式如下：

其中，

PS(f)表示肌电信号的频谱，f是肌电信号频率，f₁和f₂表示肌电信号的频率范围；

对以上所述特征，建立肌肉激活度和肌肉疲劳度模型指标如下：

肌肉激活度F＝A₁×iEMG+A₂×RMS

肌肉疲劳度P＝B₁×MPF+B₂×MF

其中，iEMG是肌电积分值，RMS是均方根值，MPF平均功率频率，MF是中位频率，A₁、A₂、B₁、B₂分别是它们的权重；0.5＜A₁＜1,0＜A₂＜0.5，A₁+A₂＝1；0.5＜B₁＜1,0＜B₂＜0.5，B₁+B₂＝1；

所述的康复训练系统，根据以下方式进行康复训练设备的阻力系数和训练时间的调整：反馈模块判断脑区激活度指标N是否超出阈值M1，如果没有超出，则不调整阻力系数和训练时间；如果超出正常阈值，则再判断肌肉疲劳度P是否超出阈值M2，若肌肉疲劳度P度高于阈值M2，则结束此次康复训练，若肌肉疲劳P度低于阈值M2，则再判断激活度F是否超出阈值M3，若肌肉激活度F高于阈值M3，则调减阻力系数、训练时间不变，若肌肉激活度F低于阈值M3，则同时调增阻力系数和训练时间；

所述的康复训练系统，根据以下方式进行训练范式以及阈值的选择：所述脑区激活度、肌肉疲劳度以及肌肉激活度的阈值M1、M2、M3，主要通过受训者对每隔10日进行一次康复评估进行确定：对受训者分别进行单侧、双侧、四肢联动三种不同康复训练范式下的脑血氧和肌电信号的康复评估训练，计算得出不同康复训练范式下的脑激活度、肌肉激活度以及肌肉疲劳度的值，将不同训练范式下的脑激活度、肌肉疲劳度以及肌肉激活度的最大值作为未来10日康复训练的M1、M2、M3的值，同时将脑激活度最大值的康复训练范式作为未来10天的康复训练范式进行康复训练。