本發(fā)明是關(guān)于運動訓(xùn)練技術(shù)，具體地，是關(guān)于一種多功能的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

運動功能訓(xùn)練廣泛地用于肢體運動功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練、競技體育項目訓(xùn)練、甚至包括基于腦機接口的想象運動的訓(xùn)練等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的運動康復(fù)訓(xùn)練方法是在訓(xùn)練師的指導(dǎo)下，用戶借助一些器械裝置，完成一定的運動訓(xùn)練任務(wù)。這種傳統(tǒng)的方式缺乏一個客觀訓(xùn)練效果評估，并且需要多次重復(fù)，過程枯燥。較新的一些技術(shù)，利用一些智能傳感器，結(jié)合人機交互技術(shù)，對于訓(xùn)練過程進行監(jiān)測記錄，并且可以實現(xiàn)反饋調(diào)控。這使得訓(xùn)練效果可以通過一些指標(biāo)和參數(shù)進行客觀的評估，根據(jù)評估的結(jié)果，針對性的調(diào)節(jié)訓(xùn)練方式，并且人機交互的形式使得訓(xùn)練過程不再重復(fù)枯燥乏味。

有研究證據(jù)表明，對于基于運動想象(Motor Imagery,MI)腦機接口(Brain Computer Interface,BCI)的控制技能的獲取，與實際運動技能的獲取具有相同的方式，因為本質(zhì)上都是自主調(diào)節(jié)神經(jīng)活動形成一個穩(wěn)定模式的過程，因此，對于運動技能的訓(xùn)練也可以通過對基于運動想象的BCI的控制訓(xùn)練來實施，這不僅為運動訓(xùn)練提供了多樣、靈活化的方式，也能夠在一些環(huán)境受限的情況下，保證運動訓(xùn)練的正常進行，非常適合對于患有注意力缺陷、多動癥、自閉癥及控制力差等疾病的兒童進行康復(fù)訓(xùn)練。目前這種方式一般是通過多電極電極帽采集用戶的腦電(EEG)信號，然后對用戶執(zhí)行運動想象任務(wù)的腦電信號進行模式分類，用于控制一些運動游戲、打字任務(wù)、假肢動作執(zhí)行等。

上述提到的傳統(tǒng)的運動康復(fù)訓(xùn)練方法和技術(shù)，功能較為單一，對訓(xùn)練過程的本身并沒有做太多改進，并且對于基于運動想象的BCI訓(xùn)練系統(tǒng)無法發(fā)揮作用。而基于運動想象腦電的腦機接口高效用戶訓(xùn)練裝置，利用用戶在運動想象中誘發(fā)的頭皮EEG，進行模式分類后，用于控制外部的設(shè)備，包括訓(xùn)練游戲、交互任務(wù)，或者是假肢、輪椅、智能車等設(shè)備。該技術(shù)中提到的高效，是基于復(fù)雜的模式分類算法或者是高性能的硬件來實現(xiàn)的，這兩者在目前來說，技術(shù)并不成熟，尚未達到規(guī)?；?、普遍的商業(yè)化程度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例的主要目的在于提供一種神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)及方法，能夠根據(jù)需要選用不同的訓(xùn)練模式對用戶進行運動訓(xùn)練，能夠更加全面、準確的反應(yīng)訓(xùn)練的效果。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供一種神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)，所述的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)包括：刺激信號產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生刺激信號，通過刺激作用介質(zhì)作用于用戶的大腦運動皮層；訓(xùn)練模式確定單元，用于根據(jù)所述用戶的選擇確定訓(xùn)練模式，所述的訓(xùn)練模式為：實際運動訓(xùn)練模式和/或想象運動訓(xùn)練模式；運動反饋數(shù)據(jù)采集單元，用于采集所述用戶在所述訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動反饋數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)單元，用于分析所述運動反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)所述刺激信號的刺激參數(shù)。

在一實施例中，當(dāng)所述訓(xùn)練模式為實際運動訓(xùn)練模式時，所述的運動反饋數(shù)據(jù)采集單元包括：大腦皮層信號采集模塊，用于采集所述用戶在所述實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的腦電信號；姿態(tài)捕捉傳感器模塊，用于采集所述用戶在所述實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動數(shù)據(jù)；以及生理信息采集模塊，用于采集所述用戶在所述實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的生理信息數(shù)據(jù)。

在一實施例中，上述的姿態(tài)捕捉傳感器模塊具體用于：將所述實際運動訓(xùn)練模式劃分為多個子訓(xùn)練模式；獲取所述子訓(xùn)練模式對應(yīng)的子訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中，所述子訓(xùn)練模式包括姿態(tài)校準訓(xùn)練、反應(yīng)提高訓(xùn)練及強度提高訓(xùn)練中的至少一種；將所述子訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為所述運動數(shù)據(jù)的一部分傳輸至所述的調(diào)節(jié)單元。

在一實施例中，上述的運動反饋數(shù)據(jù)采集單元還包括：運動視頻采集裝置，用于監(jiān)控并獲取所述用戶在所述實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時的運動視頻數(shù)據(jù)，并將所述運動視頻數(shù)據(jù)作為所述運動數(shù)據(jù)的一部分傳輸至所述的調(diào)節(jié)單元。

在一實施例中，上述的調(diào)節(jié)單元具體用于：根據(jù)所述腦電信號、運動數(shù)據(jù)及生理信息數(shù)據(jù)計算在對應(yīng)的子訓(xùn)練模式下的訓(xùn)練效果值；根據(jù)所述訓(xùn)練效果值調(diào)節(jié)所述刺激參數(shù)。

在一實施例中，當(dāng)所述訓(xùn)練模式為想象運動訓(xùn)練模式時，所述的運動反饋數(shù)據(jù)采集單元包括：大腦皮層信號采集模塊，用于采集所述用戶在所述想象運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的腦電信號；以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集所述用戶在所述想象運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

在一實施例中，上述的調(diào)節(jié)單元具體用于：根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)計算所述想象運動訓(xùn)練模式下的訓(xùn)練效果值；根據(jù)所述訓(xùn)練效果值調(diào)節(jié)所述刺激參數(shù)。

具體地，上述的刺激信號為電流信號、磁場信號、超聲波信號中至少其一。

進一步地，當(dāng)所述刺激信號為電流信號時，所述刺激信號產(chǎn)生單元所采用的所述刺激作用介質(zhì)為金屬電極；當(dāng)所述刺激信號為磁場信號時，所述刺激信號產(chǎn)生單元所采用的所述刺激作用介質(zhì)為磁感應(yīng)線圈；當(dāng)所述刺激信號為超聲波信號時，所述刺激信號產(chǎn)生單元所采用的所述刺激作用介質(zhì)為超聲波脈沖發(fā)射探頭。

本發(fā)明實施例還提供一種神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法，所述的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法包括：產(chǎn)生刺激信號，通過刺激作用介質(zhì)作用于用戶的大腦運動皮層；根據(jù)所述用戶的選擇確定訓(xùn)練模式，所述的訓(xùn)練模式為：實際運動訓(xùn)練模式和/或想象運動訓(xùn)練模式；采集所述用戶在所述訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動反饋數(shù)據(jù)；分析所述運動反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)所述刺激信號的刺激參數(shù)。

本發(fā)明實施例的有益效果在于，能夠根據(jù)用戶選擇確定訓(xùn)練模式，并在訓(xùn)練的同時對訓(xùn)練的效果進行評估，并反饋給外部腦功能刺激裝置，以優(yōu)化刺激參數(shù)，對大腦皮層進行更好的刺激。該神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同用戶需求，恢復(fù)或鞏固用戶對于運動技巧的掌握、改善用戶的運動控制效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2A為根據(jù)本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)具體應(yīng)用實例的示意圖；

圖2B為根據(jù)本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)的工作流程示意圖；

圖2C為根據(jù)本發(fā)明實施例的刺激電極放置位置示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的刺激的作用時間與刺激強度關(guān)系示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法的流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例提供一種神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)及方法。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括：刺激信號產(chǎn)生單元1、訓(xùn)練模式確定單元2、運動反饋數(shù)據(jù)采集單元3及調(diào)節(jié)單元4等。

其中，上述的刺激信號產(chǎn)生單元1用于產(chǎn)生刺激信號，通過刺激作用介質(zhì)作用于用戶的大腦運動皮層；訓(xùn)練模式確定單元2用于根據(jù)用戶的選擇確定訓(xùn)練模式，訓(xùn)練模式為：實際運動訓(xùn)練模式和/或想象運動訓(xùn)練模式；運動反饋數(shù)據(jù)采集單元3用于采集用戶在訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動反饋數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)單元4用于分析所述運動反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)所述刺激信號的刺激參數(shù)。

通過上述的各個組成部分之間的協(xié)同工作，本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)通過外部的無創(chuàng)腦功能刺激技術(shù)，作用于人腦的運動皮層，然后進行實際的運動訓(xùn)練或基于腦機接口的運動想象控制訓(xùn)練，訓(xùn)練的同時對訓(xùn)練的效果進行評估，最后反饋給外部腦功能刺激裝置，以優(yōu)化刺激參數(shù)，對大腦皮層進行更好的刺激。該神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同用戶需求，恢復(fù)或鞏固用戶對于運動技巧的掌握、改善用戶的運動控制效率。

以下結(jié)合具體示例對本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)中的各個組成部分進行詳細描述。

上述的刺激信號產(chǎn)生單元1，用于產(chǎn)生刺激信號，通過刺激作用介質(zhì)作用于用戶的大腦運動皮層。在實際應(yīng)用中，本發(fā)明實施例的刺激信號產(chǎn)生單元1對用戶的大腦皮層施加的是無創(chuàng)腦刺激：其目的是通過外部的干預(yù)調(diào)控，提高運動訓(xùn)練效率，鞏固訓(xùn)練結(jié)果。具體來說，在無創(chuàng)腦功能刺激器的作用下，產(chǎn)生對大腦運動皮層干預(yù)的刺激信號，這種刺激可以是電流刺激、磁場刺激或超聲刺激中的一種或兩種以上。刺激通過刺激發(fā)生電路產(chǎn)生，刺激參數(shù)可以調(diào)節(jié)。

刺激與大腦皮層間是通過特定介質(zhì)(刺激作用介質(zhì))施加的，如果刺激形式是電流刺激，則對應(yīng)的介質(zhì)是金屬電極，如果刺激形式是磁場刺激，對應(yīng)的介質(zhì)為磁感應(yīng)線圈，如果刺激形式為超聲刺激，對應(yīng)的介質(zhì)為超聲脈沖發(fā)射探頭，介質(zhì)與刺激控制模塊之間通過導(dǎo)線進行電連接。刺激作用的與大腦皮層的靶點為初級運動皮層，調(diào)節(jié)感覺運動神經(jīng)節(jié)律，增強皮層興奮性。

上述的訓(xùn)練模式確定單元2，用于根據(jù)用戶的選擇確定訓(xùn)練模式。在對用戶進行運動訓(xùn)練時，可分為兩種訓(xùn)練模式進行訓(xùn)練，一種是實際運動訓(xùn)練模式，另一種想象運動訓(xùn)練模式。

其中實際運動訓(xùn)練模式是用戶選擇進行實際運動訓(xùn)練的過程，可具體設(shè)定實際運動方案，運動方案包括設(shè)定的一些運動訓(xùn)練動作(例如可以是康復(fù)訓(xùn)練中的行走、跑跳、攀爬等，也可以是競技體育運動中的羽毛球、網(wǎng)球等項目)、訓(xùn)練持續(xù)的時間、重復(fù)次數(shù)等。針對實際運動訓(xùn)練模式，具體的信號的獲取、處理及分析過程主要包括運動系統(tǒng)神經(jīng)控制信號在神經(jīng)下行通路的傳導(dǎo)，實際運動訓(xùn)練任務(wù)的執(zhí)行，運動姿態(tài)的識別、檢測，訓(xùn)練效果評估以及反饋到無創(chuàng)腦刺激等。

想象運動訓(xùn)練模式是用戶選擇進行想象運動訓(xùn)練的過程，可設(shè)定人機交互任務(wù)，例如，通過運動想象左右手運動控制光標(biāo)移動、控制賽車游戲等。針對想象運動訓(xùn)練模式，具體的信號的獲取、處理及分析過程主要包括大腦皮層神經(jīng)信號捕獲，神經(jīng)信號預(yù)處理，信號的特征提取及模式分類，人機想象運動訓(xùn)練任務(wù)的控制，控制效果評估以及反饋到無創(chuàng)腦刺激等。

在具體實施時，用戶可分別選擇實際運動訓(xùn)練模式和想想運動訓(xùn)練模式中的一種進行特定的訓(xùn)練，或者，也可以選擇兩種模式同時進行，即在執(zhí)行想象運動的同時也進行實際的運動訓(xùn)練，此時則需要設(shè)計相應(yīng)的訓(xùn)練任務(wù)，使得該訓(xùn)練任務(wù)既需要用戶進行想象運動，也需要進行實際的肢體運動。此外需要注意的是，實際操作中，實際運動不宜有較大活動范圍，因為EEG信號采集是有線的方式進行采集。

上述的運動反饋數(shù)據(jù)采集單元3，則是用于采集用戶在訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動反饋數(shù)據(jù)。其中，對于上述不同的訓(xùn)練模式，具體的運動反饋數(shù)據(jù)稍有差異。針對實際運動訓(xùn)練模式，其涉及的運動反饋數(shù)據(jù)主要包括：用戶在實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的腦電信號、運動數(shù)據(jù)及生理信息數(shù)據(jù)等。

在此實施例中，上述的運動反饋數(shù)據(jù)采集單元3可主要由大腦皮層信號采集模塊31、姿態(tài)捕捉傳感器模塊32及生理信息采集模塊33組成，這三個模塊則是分別用以采集上述的用戶在實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的腦電信號、運動數(shù)據(jù)及生理信息數(shù)據(jù)。

其中，上述的大腦皮層信號采集模塊31主要由多個采集傳感器構(gòu)成，大腦皮層信號采集模塊31的作用是采集用戶大腦皮層在執(zhí)行實際運動訓(xùn)練時產(chǎn)生的電、磁或近紅外等信號，將這些信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為電信號。

具體實施時，大腦皮層信號采集模塊31采集并轉(zhuǎn)化的電信號可通過一信號預(yù)處理單元進行信號處理后，發(fā)送至調(diào)節(jié)單元4。具體地，信號預(yù)處理單元是對大腦皮層信號采集模塊31轉(zhuǎn)化的電信號進行放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過串口協(xié)議、并口協(xié)議、USB接口或TCP/IP協(xié)議中的一種與調(diào)節(jié)單元4通信，將數(shù)字信號傳輸至調(diào)節(jié)單元4。

上述的姿態(tài)捕捉傳感器模塊32主要由多個慣性傳感器構(gòu)成，每一個慣性傳感器固定在身體骨骼的主要關(guān)節(jié)點上，可以實時采集單個關(guān)節(jié)點在三維空間里的運動數(shù)據(jù)，每個傳感器帶有可充電電池，因此不需要電源線連接，可以方便用戶自由活動。慣性傳感器通過無線射頻方式將身體運動數(shù)據(jù)發(fā)送給調(diào)節(jié)單元4，調(diào)節(jié)單元4可通過例如是射頻接收器接收姿態(tài)捕捉傳感器模塊32發(fā)送的運動數(shù)據(jù)，無線射頻信號傳輸方式可以采用ZigBee、BLE等技術(shù)。

通過姿態(tài)捕捉傳感器模塊32進行運動姿態(tài)捕捉的目的是：通過主要關(guān)節(jié)點在三維空間中的姿態(tài)數(shù)據(jù)，還原出運動時的動作狀態(tài)。在進行實際運動訓(xùn)練時，可分以下三種子訓(xùn)練模式：

1)姿態(tài)校準訓(xùn)練模式：主要評估動作的標(biāo)準性，即各個關(guān)節(jié)點的相對距離、角度，例如運動障礙患者運動康復(fù)，體育項目中動作訓(xùn)練等。在訓(xùn)練某種特定動作時，系統(tǒng)內(nèi)有設(shè)定的標(biāo)準動作數(shù)據(jù)，用戶每次做完動作，系統(tǒng)都會進行對比，記錄該次動作完成標(biāo)準度的分數(shù)。

2)反應(yīng)提高訓(xùn)練模式：主要評估用戶對動作反應(yīng)的時間，即某些關(guān)節(jié)點到達設(shè)定關(guān)節(jié)點的時間，例如網(wǎng)球、羽毛球等體育項目的揮拍訓(xùn)練。用戶完成一次訓(xùn)練后，記錄反應(yīng)時間。

3)強度提高訓(xùn)練模式：主要評估與力量、持續(xù)時間相關(guān)的運動，例如負重訓(xùn)練，耐力訓(xùn)練等。這些訓(xùn)練內(nèi)容單純依靠運動捕捉系統(tǒng)無法進行較好的記錄，需要用戶自行記錄或者同過視頻采集裝置記錄下來，最后記錄力量值或持續(xù)時間。

在實際應(yīng)用中，可選用上述各子訓(xùn)練模式中的一種或多種進行實際運動訓(xùn)練，并獲取相應(yīng)的子訓(xùn)練模式下的子訓(xùn)練數(shù)據(jù)。并將子訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為運動數(shù)據(jù)的一部分發(fā)送至調(diào)節(jié)單元4。

在實際應(yīng)用中，除了通過姿態(tài)捕捉傳感器模塊32采集用戶在進行實際運動訓(xùn)練時的運動數(shù)據(jù)外，還可設(shè)置一運動視頻采集裝置，用于監(jiān)控并獲取用戶在實際運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時的運動視頻數(shù)據(jù)，并將運動視頻數(shù)據(jù)作為運動數(shù)據(jù)的一部分傳輸至調(diào)節(jié)單元4。運動視頻采集裝置作為姿態(tài)捕捉傳感器模塊32的一種輔助，監(jiān)控運動姿態(tài)，可以彌補姿態(tài)捕捉傳感器模塊32無法檢測到的一些運動，一方面方便用戶實時的觀察自己的運動狀態(tài)，也方便其監(jiān)護人陪護和監(jiān)督，另一方面，記錄的視頻可以用于回放，有利于對訓(xùn)練過程的研究分析。

針對想象運動訓(xùn)練模式，其涉及的運動反饋數(shù)據(jù)主要包括：用戶在想象運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的腦電信號、訓(xùn)練數(shù)據(jù)等。

在此實施例中，上述的運動反饋數(shù)據(jù)采集單元3可主要由大腦皮層信號采集模塊31、訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集模塊34組成，這兩個模塊則是分別用以采集上述的用戶在想象運動訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的腦電信號及訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

其中，上述的大腦皮層信號采集模塊31主要由多個采集傳感器構(gòu)成，大腦皮層信號采集模塊31的作用是采集用戶大腦皮層在執(zhí)行想象運動訓(xùn)練時產(chǎn)生的電、磁或近紅外等信號，將這些信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為電信號。

具體實施時，大腦皮層信號采集模塊31采集并轉(zhuǎn)化的電信號可通過一信號預(yù)處理單元進行信號處理后，發(fā)送至調(diào)節(jié)單元4。具體地，信號預(yù)處理單元是對大腦皮層信號采集模塊31轉(zhuǎn)化的電信號進行放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過串口協(xié)議、并口協(xié)議、USB接口或TCP/IP協(xié)議中的一種與調(diào)節(jié)單元4通信，將數(shù)字信號傳輸至調(diào)節(jié)單元4。

并且，用戶在使用想象運動訓(xùn)練模式時，大腦皮層采集的信號除了可以使用本實發(fā)明施例所述的EEG信號，還可以采集fMRI信號、近紅外、腦磁圖等，只要是能夠提取用戶在執(zhí)行想象運動過程中大腦神經(jīng)信號的特征模態(tài)，都可以作為信號采集的方式。

而訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集模塊34則是用以采集例如是用戶通過運動想象控制光標(biāo)移動、控制賽車移動的移動軌跡坐標(biāo)、完成時間等訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的想象運動訓(xùn)練模式中，除了采用基于普通計算機顯示器的人機交互訓(xùn)練模式，還可以采用最新的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使得訓(xùn)練場景更加形象、逼真，增強趣味性和用戶訓(xùn)練的積極性。

在采集到用戶在相應(yīng)訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動反饋數(shù)據(jù)后，可通過上述的調(diào)節(jié)單元4，分析運動反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)刺激信號的刺激參數(shù)，并且也可調(diào)節(jié)相應(yīng)的訓(xùn)練模式。

其中，調(diào)節(jié)相應(yīng)的訓(xùn)練模式是指，根據(jù)運動反饋數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)各訓(xùn)練模式的訓(xùn)練方案及具體設(shè)定參數(shù)(例如上述的訓(xùn)練持續(xù)的時間、重復(fù)次數(shù)等)等。

上述的刺激參數(shù)包括電流、磁場或超聲的強度，刺激的頻率，單次刺激呈現(xiàn)的時間，刺激的重復(fù)次數(shù)以及刺激間隙的時間等，這些參數(shù)的設(shè)定值加大都會增加刺激效果，但在實際運用中，不同的用戶所適用的參數(shù)不是越大越好，需要經(jīng)過多次訓(xùn)練形成一個動態(tài)的調(diào)整。

因此，刺激參數(shù)的調(diào)節(jié)根據(jù)運動評估的結(jié)果進行。對于實際運動訓(xùn)練模式，可具體按照上述的各種子訓(xùn)練模式分別對姿訓(xùn)練模式的訓(xùn)練結(jié)果進行量化。

對于姿態(tài)校準訓(xùn)練模式，訓(xùn)練結(jié)束后記錄的是標(biāo)準度分數(shù)S_std，設(shè)定有n個關(guān)節(jié)點，每個關(guān)節(jié)點距離標(biāo)準動作的距離為D_n，角度為A_n，距離極限偏差閾值為DT_n，角度極限偏差閾值為AT_n，因此，該標(biāo)準度分數(shù)S_std可用公式(1)表示：

$S_{std}=\frac{\underset{n}{\Σ}\frac{(D_n-{\mathrm{DT}}_n)(A_n-{\mathrm{AT}}_n)}{{\mathrm{DT}}_n\×{\mathrm{AT}}_n}}{n},---\left(1\right)$

其中，n＝1,2,3……。

為了量化訓(xùn)練效果，第m次訓(xùn)練后與之前的每次訓(xùn)練中標(biāo)準度分數(shù)最好的進行比較，得出效果值V_m：

$V_m=\frac{S_{std,m}}{\max (S_{std,1},S_{std,2},S_{std,3}\mathrm{......}{S}_{std,m})}.---\left(2\right)$

反應(yīng)提高訓(xùn)練模式，訓(xùn)練結(jié)束后記錄的是反應(yīng)時間，在此實施例中，需換算成效果值，記當(dāng)?shù)趍次訓(xùn)練的反應(yīng)時間為T_m，效果值V_m為：

$V_m=\frac{T_m}{\max (T_1,T_2,T_3\mathrm{......}{T}_m)}.---\left(3\right)$

強度提高訓(xùn)練模式，訓(xùn)練結(jié)束后記錄的是力量值F_m或持續(xù)時間S_m，在此實施例中，需要換算成效果值V_m：

或

$V_m=\frac{S_m}{\max (S_1,S_2,S_3\mathrm{......}{S}_m)}.$

對于想象運動訓(xùn)練模式，由于直接面對的人機交互任務(wù)，可以通過計算機根據(jù)獲取的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行計算，直接返回效果值V_m。

具體地，在想象運動過程中，不同的想象運動對應(yīng)不同的人機交互任務(wù)，想象運動包括但不限于想象左右手握拳動作、想象羽毛球揮拍動作、想象籃球投籃動作等，對應(yīng)的人機交互任務(wù)包括但不限于通過“左”、“右”指令控制的賽車游戲，羽毛球?qū)Υ蛴螒?，投籃游戲等。在具體的想象運動以及對應(yīng)的人機交互任務(wù)中，每一個任務(wù)中分為若干個回合，每個回合完成任務(wù)加一分，任務(wù)結(jié)束后記該次得分為S_m，因此，第m次訓(xùn)練結(jié)束后，效果值

因此，每次訓(xùn)練結(jié)束后，可根據(jù)效果值V_m來判斷此次的訓(xùn)練效果。若V_m大于1，說明訓(xùn)練效果得到提升，則在進行下一訓(xùn)練周期時保持當(dāng)前的刺激參數(shù)的強度(例如電流強度)，若V_m小于1，說明訓(xùn)練效果未得到提升，則下一訓(xùn)練周期時，在當(dāng)前的刺激參數(shù)呈現(xiàn)的強度的基礎(chǔ)上增加20％的刺激強度，但需要注意的是，無論是上述提到的電流、磁場或超聲刺激，都要保持在國際上規(guī)定的安全范圍內(nèi)。上述的訓(xùn)練周期可以是一次訓(xùn)練，也可以是一次訓(xùn)練中的一個小的時間段。

通過本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)，既能夠用于實際運動的訓(xùn)練，也能用于想象運動的訓(xùn)練。該系統(tǒng)通過外部的無創(chuàng)腦功能刺激技術(shù)，作用于人腦的運動皮層，增強大腦運動皮層的興奮性，這能夠加速大腦運動神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的連接，穩(wěn)固運動控制皮層的模態(tài)。對于基于腦機接口的運動想象控制訓(xùn)練來說，還能提高信號中自發(fā)的調(diào)節(jié)自身的感覺運動神經(jīng)節(jié)律(Sensorimotor Rhythm,SMR)，具體包括事件相關(guān)去同步化(Event-Related Desynchronization,ERD)和事件相關(guān)同步化(Event-Related Synchronization,ERS)的模式特征，使得信號分類更加精準。并且針對不同用戶，為了優(yōu)化刺激參數(shù)，該系統(tǒng)還能夠通過傳感器或視頻監(jiān)控裝置對訓(xùn)練的效果進行評估，最后反饋給外部腦功能刺激裝置調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，對大腦皮層進行更好的刺激。多種訓(xùn)練形式的結(jié)合，不僅能適應(yīng)不同的訓(xùn)練環(huán)境，還能減低訓(xùn)練的枯燥性。

以下結(jié)合一具體應(yīng)用實例對本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其功能做進一步說明。

圖2A是本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)的一具體應(yīng)用實例的示意圖，該神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)的工作流程如圖2B所示，其中無創(chuàng)腦功能刺激采用的是電刺激方式，刺激器201可為Iomed Phoresor II auto PM850型號，采用的刺激電極202為方形的海綿電極，用生理鹽水浸泡。在一實施例中，采用無創(chuàng)腦功能電刺激進行大腦運動皮層的干預(yù)，刺激的位置是大腦右側(cè)初級運動皮層M1，采用陽極A1刺激，即刺激電極的陽極A1應(yīng)放置于對應(yīng)的右側(cè)M1頭皮位置，如圖2C所示。陽極電極M1具體的放置位置，對于不同的用戶個體，借助于BCI2000系統(tǒng)，統(tǒng)一地進行個體優(yōu)化，陰極C1的電極放置于對側(cè)的位置M2上。

施加無創(chuàng)腦功能電刺激時，作用的時間與刺激強度關(guān)系如圖3所示，系統(tǒng)的默認刺激參數(shù)中刺激強度為1mA，用逐漸增強的模式10s內(nèi)達到刺激強度，在刺激將要結(jié)束時，利用逐漸減弱的模式10s逐漸停止刺激，默認一次刺激時間持續(xù)15分鐘。

但上述的刺激強度值、持續(xù)時間及增幅僅為實例說明，并非用以限制本發(fā)明。

大腦皮層信號采集過程中，采集的是頭皮EEG信號，采用21個Ag/AgCl電極組成的EEG信號采集電極帽203，按照國際通用的10-20導(dǎo)聯(lián)法，記錄到的電信號通過EEG信號處理裝置204進行預(yù)處理，信號處理裝置204采用NeuroScan公司的SynAmps2型號的，采樣率為1000Hz，每個電極的阻抗保持在5KΩ以下。

信號處理裝置204通過數(shù)據(jù)傳輸線與控制主機205進行電連接。信號處理裝置204對EEG信號采集電極帽203轉(zhuǎn)化的電信號進行放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過串口協(xié)議、并口協(xié)議、USB接口或TCP/IP協(xié)議中的一種與控制主機205通信，將數(shù)字信號傳輸至控制主機205。

在用戶的身體主要關(guān)節(jié)點上固定住姿態(tài)捕捉慣性傳感器206，具體可采用北京諾亦騰科技公司的PERCEPTION LEGACY全身動作捕捉系統(tǒng)，具有17個慣性傳感器關(guān)節(jié)點，采用2.4GHZ無線射頻數(shù)據(jù)傳輸，把身體的動作狀態(tài)輸出發(fā)送給連接在PC USB接口的射頻接收裝置207。

另外，在運動訓(xùn)練區(qū)域的上方采用運動視頻采集裝置208記錄訓(xùn)練過程中的視頻，并通過視頻輸出線連接到控制主機205?？刂浦鳈C205為性能較好的移動式或臺式計算機，配備顯示器2051，在實際運動訓(xùn)練中播放圖片或動畫指導(dǎo)用戶訓(xùn)練，在想象運動訓(xùn)練中用于顯示人機交互任務(wù)的界面。

用戶在進行實際運動訓(xùn)練之前，可設(shè)定各種訓(xùn)練方案，每一種訓(xùn)練方案都會有一系列可量化的指標(biāo)，包括生理上的基礎(chǔ)心率、運動中心率、運動后心率恢復(fù)、疲勞度(通過肌電和血壓判斷)等，運動物理指標(biāo)上的平均速度、瞬時最高速度、特定時刻的速度及位置等，這些指標(biāo)均可作為分析和評估的參考標(biāo)準。

穿戴在用戶身上的傳感器在運動訓(xùn)練的同時，記錄下運動數(shù)據(jù)，傳感器除了姿態(tài)捕捉傳感器206，還包括生理監(jiān)測儀209(對應(yīng)于上述的生理信息采集模塊33)。姿態(tài)捕捉傳感器206用于記錄全身關(guān)節(jié)點運動時的加速度，進一步轉(zhuǎn)換為速度和位置信息，生理監(jiān)測儀209用于記錄心率、體溫、心電、肌電等生理信息數(shù)據(jù)。另一方面，視頻監(jiān)控裝置同時開啟，將訓(xùn)練畫面實時顯示出來。在獲取了用戶在進行訓(xùn)練過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)后，即可結(jié)合上述量化的指標(biāo)，根據(jù)運動數(shù)據(jù)對訓(xùn)練結(jié)果進行分析及評估。

在分析及評估過程中，對于速度、力量、反應(yīng)敏捷度等追求極限的指標(biāo)，直接輸出結(jié)果即可，而對于一些要求與標(biāo)準參數(shù)、姿態(tài)吻合的指標(biāo)，需要計算出準確度并進行歸一化。

對于想象運動訓(xùn)練，用戶在進行運動訓(xùn)練之前，可設(shè)定各種人機交互訓(xùn)練任務(wù)及指標(biāo)，例如通過運動想象左右手運動控制光標(biāo)移動、控制賽車等。而對于想象運動訓(xùn)練結(jié)果的分析及評估，則可以以用戶通過運動想象控制光標(biāo)移動、控制賽車移動的精確度、完成時間等指標(biāo)作為參考標(biāo)準。

在此實施例中，刺激器201對應(yīng)于上述的刺激信號產(chǎn)生單元1，EEG信號采集電極帽203即對應(yīng)于上述的大腦皮層信號采集模塊31，信號處理裝置204對應(yīng)于上述的信號預(yù)處理單元，姿態(tài)捕捉慣性傳感器206對應(yīng)于上述的姿態(tài)捕捉傳感器模塊32，而上述的訓(xùn)練模式確定單元2、訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集模塊34、調(diào)節(jié)單元4均可設(shè)置于上述的控制主機205中，分別完成訓(xùn)練模式的確定、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集以及根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果進行評估和調(diào)節(jié)的過程。

本發(fā)明實施例還提供一種神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法，如圖4所示，該神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法主要包括：

步驟S101：產(chǎn)生刺激信號，通過刺激作用介質(zhì)作用于用戶的大腦運動皮層；

步驟S102：根據(jù)用戶的選擇確定訓(xùn)練模式，訓(xùn)練模式為：實際運動訓(xùn)練模式和/或想象運動訓(xùn)練模式；

步驟S103：采集用戶在訓(xùn)練模式下進行訓(xùn)練時產(chǎn)生的運動反饋數(shù)據(jù)；

步驟S104：分析運動反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)刺激信號的刺激參數(shù)。

通過上述的步驟S101至步驟S104，，本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法通過外部的無創(chuàng)腦功能刺激技術(shù)，作用于人腦的運動皮層，然后進行實際的運動訓(xùn)練和/或基于腦機接口的運動想象控制訓(xùn)練，訓(xùn)練的同時對訓(xùn)練的效果進行評估，最后反饋給外部腦功能刺激裝置，以優(yōu)化刺激參數(shù)，對大腦皮層進行更好的刺激。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同用戶需求，恢復(fù)或鞏固用戶對于運動技巧的掌握、改善用戶的運動控制效率。

在實際應(yīng)用中，本發(fā)明實施例的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練方法可應(yīng)用于上述實施例中的神經(jīng)反饋運動訓(xùn)練系統(tǒng)中。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，比如ROM/RAM、磁碟、光盤等。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。