一种基于生物信号的上肢康复系统

摘要

本发明公开了一种基于生物信号的上肢康复系统，将脑电帽附着在脑部表面，通过脑电帽感应脑电信号，对脑电信号进行放大、滤波、去噪后，依次通过CSP特征提取算法和具有自适应LDA分类算法的分类器进行特征提取和分类，转化为控制驱动电机设备和气动肌腱辅助设备的驱动指令，系统处理器再结合驱动指令和运动状态采集器采集的运动状态数据，进行融合、整理后号反馈给驱动电机设备、气动肌腱辅助设备和移动终端，从而驱动机械手臂做康复运动；工作人员通过移动终端远程监控患者的运动和康复状态，患者也可以通过语音输入、输出设备调用显示平台内的康复游戏，进行辅助康复训练。这样提高了患者训练的有效性，同时保证了训练时的安全性和稳定性。

主权项

一种基于生物信号的上肢康复系统，其特征在于，包括：一脑电信号提取设备为一个脑电帽，将脑电帽附在脑部表面，通过脑电帽的金属电极感应脑电信号，脑电帽的内置芯片又将脑电信号依次进行放大、滤波和去噪，再通过CSP特征提取算法将去噪后的脑电信号转化为高辨识度的数字信号，数字信号又通过具有自适应LDA分类算法的分类器进行分类，完成特征识别，识别后的数字信号直接转化为控制驱动电机设备和气动肌腱辅助设备的驱动指令，最后通过脑电帽中的无线设备发送；一系统中央处理器，包括数据处理器与无线收发装置，安装在背部支架的顶端，用于接收、存储脑电帽发出的驱动指令和运动状态采集器中采集的运动状态数据，其中，数据处理器对接收的驱动指令和运动状态数据按照预设的通信协议进行数据解析，识别出有效数据值，再将有效数据值中与运动状态数据相关的部分进行编码，最后将编码后的数据进行封装并作为反馈信号反馈给驱动电机设备和气动肌腱辅助设备，同时将存储的运动状态数据通过无线收发装置发送至移动终端；一背部支架，附着在人体的背部，其顶端与碳纤维手臂外骨骼连接，且与人体的肩齐平，用于承担康复设备的重量，并悬挂背部的系统中央处理器；一碳纤维手臂外骨骼，包括上臂和小臂，上臂和小臂均为两块紧密贴合并用螺钉固定的碳纤维板，在上臂与背部支架、上臂与小臂的关节连接处分别用螺钉连接组成机械手臂，且上臂和小臂上均有等间距的螺钉孔，可以使碳纤维板错孔位安装，用于调节机械手臂长度；两驱动电机设备，标记为第一、第二驱动电机设备，且每组驱动电机设备包括一驱动电机和一驱动电路板；将第一驱动电机设备安装于碳纤维手臂外骨骼的上臂顶端，将第二驱动电机设备安装于上臂和小臂的关节连接处，驱动电路板用于采集驱动电机的驱动频率，驱动电机用于驱动机械手臂的运动；两气动肌腱辅助驱动设备，分别安装于上臂与背部支架、上臂与小臂关节连接处，用于削减机械抖动和驱动力补偿；一电机编码器，安装于第二驱动电机设备的驱动电机尾端，并通过数据传输线连接第二驱动电机设备的驱动电路板和运动状态采集器，通过对第二驱动电机设备的驱动电机运动状态的监测，来获取机械手臂的运动状态数据，并将这些运动状态数据传送至运动状态采集器；一肌电信号采集电极，包括一块粘贴式的信号采集电极与数据传输线，将信号采集电极粘贴在患者手臂，用于采集患者的肌电信号，并传输至运动状态采集器；一心率采集弹性腕带，包括内置脉搏采集电极与数据传输线，佩戴在患者的手腕，用于采集患者的心率，并传输至运动状态采集器；一运动状态采集器为集成电路板，安装在机械手臂的外侧，集成电路板上预留有连接电机编码器、肌电信号采集电极和心率采集腕带的数据线接口，通过数据传输线连接后，从电机编码器肌电信号采集电极和心率采集弹性腕带接收数据，对接收的数据进行封装，并作为当前的运动状态数据发送至系统中央处理器；一语音命令接收设备为一个语音接收话筒，安装于小臂尾端，也可拆卸单独使用，用于输入语音信号；一语音提示设备，包含一块语音处理模块，安装在显示屏幕背部；输入的语音信号通过语音处理模块转化为串口指令信号，用于操控显示平台的显示界面菜单，显示平台收到串口指令信号后又通过语音提示设备发出反馈信号；一显示平台，安装于康复系统前方，其显示界面菜单受语音指令操控，内置有蓝牙模块和康复训练游戏；蓝牙模块可直接从脑电提取设备中读取脑电信号，康复训练游戏辅助患者进行康复训练；将脑电帽附着在脑部表面，通过脑电帽的金属电极感应脑电信号，脑电帽的内置芯片对脑电信号依次进行放大、滤波和去噪，再通过CSP特征提取算法将去噪后的脑电信号转化为高辨识度的数字信号，数字信号又通过具有自适应LDA分类算法的分类器进行分类，完成特征识别，识别后的数字信号直接转化为控制驱动电机设备和气动肌腱辅助设备的驱动指令；驱动指令通过无线传输的方式传输到系统中央处理器，系统中央处理器内的数据处理器再结合运动状态采集器采集的运动状态数据，按照预设的通信协议进行数据解析，识别出有效数据值，再将有效数据值中与运动状态数据相关的部分进行编码，最后将编码后的数据进行封装并作为反馈信号反馈给驱动电机设备和气动肌腱辅助设备，从而驱动机械手臂按照反馈信号做康复运动；同时系统中央处理器将运动状态数据通过内部的无线收发装置发送至移动终端，医护人员可以通过移动终端远程监控患者的运动状态和康复状态，患者也可以通过语音命令接收设备调用显示平台内的康复训练游戏，进行辅助康复训练。