一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置

技术领域

本发明涉及分析神经运动功能耦合的机械装置领域，尤其涉及一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置。

背景技术

感觉损伤与脑卒中病人运动功能的下降密切相关，且感觉损伤可影响亚急性期(发作后3-7天)脑卒中病人上肢运动功能的自然恢复过程，更会降低脑机接口等技术在脑卒中运动康复过程的有效性。特别的，人体感觉功能与运动功能相关，但两者的神经学基础并不一致，对脑卒中患者进行有效的感觉功能评估对患者运动康复有着显著的促进作用。

在康复过程中，就感觉功能评估而言，目前尚无能够准确评估感觉损伤及其康复的金标准，常用的有ErasmusMCNottingham感觉评估量表。传统的量表评估受限于评估者的主观评价，依赖于评估者的个人经验，侧重表面指标的分析，难以确保被试真实的运动功能状态，给康复带来了一定的负面影响。此外，基于医学影像、电生理监测、运动学的分析手段也广泛应用于脑卒中临床诊断和康复评估中，如磁共振、计算机断层扫描、近红外成像、脑电图、脑磁图、肌电图、步态分析等。通过检测中枢神经系统和运动系统不同层次的信号特征，进而完成对被试运动功能的评估。这些手段可检测特定部位的激活响应，有效弥补了传统量表评估的不足，丰富了脑卒中诊断、状态评估和康复模式。但这些方法常面向有一定残余自主运动机能的被试，却不适用于重度运动功能障碍被试，而基于被动运动模式的评估手段可能更适合重度功能障碍被试。神经运功功能耦合效应主要由肢体运动节律驱动，运动形式可以是主动式、被动式或者运动想象等，其运动学特征包括速度、位移、作用力、扭矩等，可应用于不同严重程度的患者运动功能评估。神经运动功能耦合特征主要体现于肢体运动的对侧感觉运动皮质区域，功能耦合效应常出现在外周运动频率及其谐频，有望作为评估脑卒中感觉功能状态的工具，目前国内尚无相关研究，且现有系统只能用于评价人体运动功能状态，难以评价人体感觉功能。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置，该装置由脑电信号传感部件、肌电采集部件、加速度传感器、驱动部件及上位机系统等部件构成，实现驱动部件运动的精准控制，能够对被试手指进行指定频率的物理刺激，同时采集脑电、肌电、加速度等信号数据进行同步记录与分析，增强了数据的可靠性，实现人体大脑激活状态和外周肢体运动信息的多模态测量，并应用于分析神经电信号和运动信号的功能耦合，更全面地评估人体感觉运动回路的功能状态及运动障碍的病理机制。

本发明的技术方案是：一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置，包括装置本体，所述装置本体包括用于驱动人体被试部位运动的驱动部件和用于采集被试部位在受刺激过程中运动加速度信号的加速度传感器，所述装置本体还包括可固定于被试部位表面且用于采集被试部位肌电信号的肌电采集部件，所述装置本体还包括用于采集被试者脑电信号的脑电信号传感部件，所述装置本体还包括用于控制所述驱动部件驱动频率、传递和显示肌电脑电信号的上位机，所述上位机分别与所述驱动部件、加速度传感器、肌电采集部件和脑电信号传感部件连接。

可选地，所述装置本体还包括气泵、压缩气管、用于调控气体流通方向与压力的气体调控装置和用于固定所述驱动部件的固定平台，所述驱动部件固定于所述固定平台，所述气体调控装置通过所述压缩气管连接所述气泵与所述驱动部件。

可选地，所述驱动部件为气动肌腱、液压肌腱或电动肌腱。

可选地，所述气泵具有出气口，所述气体调控装置具有进气孔与出气孔，所述驱动部件为气动肌腱部件，所述气动肌腱部件的一端具有气管连接嘴，所述压缩气管包括第一气管与第二气管，所述第一气管的一端与所述出气口相连，所述第一气管的另一端与所述进气孔相连，所述第二气管的一端与所述出气孔相连，所述第二气管的另一端与所述气管连接嘴相连。

可选地，所述固定平台具有上平台，所述固定平台还包括位于所述上平台下方的下平台，所述上平台与所述下平台之间固定连接有支撑柱，所述气动肌腱部件具有第一端和第二端，所述气动肌腱部件的第一端固定连接于所述下平台，所述气动肌腱部件的第二端贯穿所述上平台，所述下平台具有可从外部连接所述气管连接嘴的接收口，所述气动肌腱部件包括固定于所述上平台的安装座与滑动连接于所述安装座且由压缩气驱动的滑动件。

可选地，所述第二端的端部具有用于固定被试部位的被试固定器，所述被试固定器包括供被试固定的支柱和供所述加速度传感器固定的固定部，所述支柱的一端与所述第二端连接，所述支柱的另一端与所述固定部的底面相连，所述支柱的侧面具有供被试者的手指插入的指孔。

可选地，所述气体调控装置包括电磁阀与控压阀。

可选地，所述固定部具有固定槽，所述加速度传感器固定于所述固定槽内。

可选地，所述装置本体还包括与所述气体调控装置连接的继电器。

可选地，所述装置本体还包括同时与所述脑电信号传感部件、肌电采集部件、加速度传感器和所述继电器连接的微控制单元。

本发明所提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置，主要包括脑电信号传感部件、肌电采集部件、加速度传感器、驱动部件及上位机系统等部件，通过上位机对驱动部件运动幅度、频率的精准控制，对被试部位进行指定频率的物理刺激，同时上位机采集脑电、肌电、加速度等信号数据进行同步记录与分析，增强了数据的可靠性，实现人体大脑激活状态和外周肢体运动信息的多模态测量，并应用于分析神经电信号和运动信号的功能耦合，更全面地评估人体感觉运动回路的功能状态及运动障碍的病理机制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置位于另一视角的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置中被试固定器的立体示意图；

图4是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置的系统构成的树状图；

图5是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置中气动肌腱部件的控制过程的树状图；

图6是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置中肌电采集部件和所述加速度传感器采集信号过程的树状图；

图7是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置中上位机的控制界面；

图8是本发明实施例提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置中采集的信号通过处理软件分析的步骤树状图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1与图2所示，一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置，包括装置本体1，所述装置本体1包括驱动部件2和加速度传感器，驱动部件2用于驱动人体被试部位(本实施例中，人体被试部位以手指为例)运动，加速度传感器用于采集被试部位在受刺激过程中运动加速度信号。所述装置本体1还包括可固定于被试部位表面的肌电采集部件，肌电采集部件用于采集被试部位肌电信号。所述装置本体1还包括用于采集被试者脑电信号的脑电信号传感部件，所述装置本体1还包括用于控制所述驱动部件2的驱动频率、传递(接收)和显示肌电脑电信号的上位机，所述上位机分别与所述驱动部件2、加速度传感器、肌电采集部件和脑电信号传感部件连接，且所述上位机可离线保存数据。本发明所提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置，通过所述上位机对所述驱动部件2的运动幅度和运动频率频率的精准控制，对被试部位进行指定频率的物理刺激与驱动，同时上位机采集驱动过程中被试者的脑电、肌电、被试部位加速度等信号数据，将信号数据传输至所述上位机进行同步记录与分析，实现人体大脑激活状态和外周肢体运动信息的多模态测量，并应用于分析神经电信号和运动信号的功能耦合，更全面地评估人体感觉运动回路的功能状态及运动障碍的病理机制。

如图1所示，具体地，所述装置本体1还包括用于压缩气体的气泵3、压缩气管4、用于调控气体流通方向与压力的气体调控装置5和用于固定所述驱动部件2的固定平台6，所述驱动部件2固定于所述固定平台6，所述气体调控装置5通过所述压缩气管4连接所述气泵3与所述驱动部件2，所述气泵3泵出的气体经由所述气体调控装置5的调节后再灌入所述驱动部件2，各装置按气体流通顺序布置在一起，可以用压缩气体驱动、控制驱动部件2，以带动被试部位运动。

具体地，所述驱动部件2可为气动肌腱部件、液压肌腱部件或电动肌腱部件，本实施例中，采用气动驱动的方式，采用电气及机械分离的结构，避免了无线采集过程中对于脑电、肌电信号的电器干扰。

具体地，如图1与图2所示，所述气泵3具有出气口31，所述气体调控装置5具有进气孔51与出气孔52，所述驱动部件2为气动肌腱部件，所述气动肌腱部件与所述气泵能够实现电气隔离，避免测试过程中对采集信号造成电磁干扰。所述气动肌腱部件的一端具有气管连接嘴，所述压缩气管4包括第一气管41与第二气管42，所述第一气管41的一端与所述出气口31相连，所述第一气管41的另一端与所述进气孔51相连，所述第二气管42的一端与所述出气孔52相连，所述第二气管42的另一端与所述气管连接嘴相连，所述气泵3泵出的气体经由所述气体调控装置5的调控，通过所述气管连接嘴灌入所述气动肌腱部件，所述气动肌腱部件在所述气体调控装置5对于气体的压力调控下随气体压力的变化而运动。气体调控装置5可以设置有泄压阀，当压缩气体的压力高于设定值时，泄压阀动作而泄压，防止气体压力过大而导致意外，可靠性佳。

具体地，如图2所示，所述固定平台6具有上平台61，所述固定平台6还包括位于所述上平台61下方的下平台62，所述上平台61用于支撑被试者手臂或其它部位，所述下平台62具有用于稳定所述固定平台6的配重块，所述上平台61与所述下平台62之间固定连接有支撑柱63，如图1与图2所示，所述气动肌腱部件具有第一端21和第二端22，所述气动肌腱部件的第一端21固定连接于所述下平台62，所述气动肌腱部件的第二端22贯穿所述上平台61，所述下平台62具有可从外部连接所述气管连接嘴的接收口620，所述气动肌腱部件包括固定于所述上平台61的安装座与滑动连接于所述安装座且由压缩气驱动的滑动件，所述滑动件可相对于所述安装座沿所述支撑柱63的长度方向运动，滑动件可以在压缩气的作用下沿直线或弧线往复滑动，从而实现对被试部位的驱动，所述固定平台6与所述气动肌腱部件配合设置，利于稳定、高效的实现气动肌腱部件对被试部位的驱动或刺激。

具体地，如图1至3所示，所述第二端22的端部具有用于固定被试部位的被试固定器7，所述被试固定器7包括供被试部位固定的支柱71和供所述加速度传感器固定的固定部72，所述支柱71的一端与所述第二端22连接，所述支柱71的另一端与所述固定部72的底面相连，所述支柱71的侧面具有供被试者的手指插入的指孔710，所述上平台61背向所述下平台62的一面设置有供被试部位放置的保暖防滑垫8，所述固定部72顶端为圆滑的半球形，能够保证被试者在测试过程中的舒适与安全性。

具体地，所述气体调控装置5包括电磁阀与控压阀，所述电磁阀主要用于控制从所述气泵3中泵出气体的方向、流量、速度等参数，所述控压阀主要用于控制从所述气泵3中泵出气体的压力大小，以保证测试过程中所需的驱动频率及力度。

具体地，如图3所示，所述固定部72具有固定槽720，所述加速度传感器固定于所述固定槽720内，所述固定槽720贯通于所述固定部72左右两端，所述固定槽720的尺寸与所述加速度传感器的尺寸契合，保证测试过程中所述加速度传感器的稳定不晃动，确保测试数据的精度。

具体地，如图1所示，所述装置本体1还包括与所述气体调控装置5连接的继电器9，所述继电器9主要用于控制和保护所述气体调控装置5，提高所述设备本体的使用安全性。

具体地，如图1所示，所述装置本体1还包括同时与所述脑电信号传感部件、肌电采集部件、加速度传感器和所述继电器9连接的微控制单元10，所述微控制单元10根据所述上位机的指令控制所述脑电信号传感部件、肌电采集部件、加速度传感器和所述继电器9。

具体地，所述微控制单元10主要搭载了最小系统、ADC采集电路、串口电路、程序下载电路、供电电路以及继电器控制电路。用于采集所述加速度传感器数据，通过ADC模块转换，使用串口通信将数据上传至所述上位机实时显示。同时用于发送高电平用于触发肌电设备数据打标同步；所述加速度传感器为惯性测量单元(IMU)，可以输出三轴的加速度模拟量，通过引线接至所述微控制单元10；所述肌电设备由前置采集电极、滤波、放大电路构成，输出模拟量至所述微控制单元10的ADC接口。

具体地，本发明所提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置的系统构成具体如图4所示，其中脑电设备即为所述脑电信号传感部件，肌电设备即为所述肌电采集部件。

在实际使用与测试中，可以参考如下步骤：首先将本发明所提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置稳定水平地放置在信号屏蔽室中，避免其它信号干扰，被试者进入信号屏蔽室，将所述脑电信号传感部件佩戴或贴合于被试者脑部，并连接放大器确保设备正常工作，并在被试者相应肌肉区域佩戴或贴合所述肌电采集部件，所述肌电采集部件包括两个差分电极以及一个参考电极，两个差分电极置于与刺激对应的肌肉响应区域，参考电极置于肌肉不活跃区域作为参考，再将所述加速度传感器固定于被试部位(手指)，或是将所述加速度传感器固定于所述固定部72处，直接将被试部位(手指)插入所述指孔710中固定。最后打开所述上位机，输入所述驱动部件2驱动的频率和时间，输入将要保存的数据名称及路径，开始对被试部位(手指)进行驱动、刺激，连接于所述微控制单元10的所述脑电信号传感部件、肌电采集部件和所述加速度传感器在各相应时刻(开始、中途休息以及结束时)接收所述微控制单元10发送的同位标记，对测试过程中的脑电、肌电、加速度等信号数据进行采集并传输至所述上位机并实时显示，采集信号的过程中应尽量保持被试者不受外界环境干扰影响，实验测试结束后，所述上位机对采集到的脑电、肌电、加速度等信号数据进行同步记录与保存。

具体地，所述气动肌腱部件的控制过程可以如图5所示。

具体地，所述肌电采集部件和所述加速度传感器采集信号的过程可以如图6所示。

具体地，所述上位机的控制界面可以如图7所示。

具体地，所述脑电信号传感部件、肌电采集部件和所述加速度传感器采集后的数据通过处理软件分析的步骤可以如图8所示。

本发明所提供的一种用于分析神经运动功能耦合的采集装置，区别于现有人体参数同步采集系统，基于Labview搭建了一个手指刺激，脑电、肌电、加速度数据采集，实时显示，以及同步的上位机界面。并且可以刺激过程中的数据离线保存用于处理，可模拟人体运动，研究运动过程中人体的各部位功能响应，并突破性的完成对人体感觉功能的评价，主要由脑电信号传感部件、肌电采集部件、加速度传感器、驱动部件2及上位机系统等部件构成，通过对上位机对驱动部件2运动幅度及运动频率的精准控制，对被试部位进行指定频率的物理刺激，实时显示并保存测试数据，连接于所述微控制单元10的所述脑电信号传感部件、肌电采集部件和所述加速度传感器接收所述微控制单元10发送的同位标记，对测试过程中的脑电、肌电、加速度等信号数据进行采集并传输至所述上位机实时显示，所述上位机对采集到的脑电、肌电、加速度等信号数据进行同步记录与保存，增强了数据的可靠性，便于后续信号分析，通过分析软件对保存的测试数据进行分析，实现人体大脑激活状态和外周肢体运动信息的多模态测量，并应用于分析神经电信号和运动信号的功能耦合，更全面地评估人体感觉运动回路的功能状态及运动障碍的病理机制，有望应用于健康人及不同严重程度的脑卒中患者感觉运动功能的评估。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。