基于腦皮層血紅蛋白信息識別運動模式的實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于腦皮層血紅蛋白信息識別運動模式的實現方法，屬于腦機接口方向。
【背景技術】
[0002]根據第六次全國人口普查我國總人口數及第二次全國殘疾人抽樣調查，推算了2010年末我國殘疾人總人數及各類、不同等級的殘疾人數:其中肢體殘疾所占的比例最大為29.08%。此外，我國逐漸進入高齡化社會，2012年，全國60歲及以上老年人口 19390萬人，占總人口的14.3%;其中65歲及以上人口 12714萬人，占總人口的9.4%。據專家預測，到2020年，中國60歲及65歲以上人口比重分別為16.23%和11.30%;2030年為22.34%和15.21% ;2040年為25%和20%。從上述數據可看出到2030年時，中國將進入“超老年型”社會。而到了 2050年，60歲以上的人口總數將達到4億左右，占總人口的比重將超過25.2%，屆時，每4個中國人中間就有I個老年人，中國將成為高度老齡化的國家。隨著人口結構的老齡化，有運動功能障礙的高齡患者越來越多，為這些有運動功能障礙的殘疾人和老齡人配備助行設備是協助他們實現獨立行走、重新回歸社會主流的主要手段。
[0003]為了提高助老助殘設備的智能性，很多研宄機構致力于研發基于腦機接口技術的新型助老助殘產品。然而，目前的腦機接口技術還存在以下主要問題:
[0004](I)植入式或者半植入式的腦機接口技術已經取得了突破性進展，但是將微型電極植入實驗者的大腦灰質中或是硬腦膜下的大腦皮層上，可能引發免疫反應和愈傷組織；而且還存在植入后的心理與倫理問題，目前尚不適于廣泛應用。
[0005](2)非侵入式的腦信息測試技術包括腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、功能性核磁共振圖像(fMRI)、正電子發射層析成像(PET)和近紅外光譜腦功能成像(NIRS)等技術；其中fMRI和PET技術的空間分辨率較高，但是時間分辨率低，在測試過程中身體常局限在靜止狀態，有很大的約束性；MEG的應用要求對外部磁場進行充分屏蔽；所以目前主要是EEG和NIRS技術應用于助老助殘的產品研發中。但是在基于EEG信號的腦-機接口系統研宄中，常用的基于視覺誘發電位(VEP)和事件相關電位(P300)這兩類方法需要額外的刺激裝置提供刺激來產生誘發電位，并且依賴于人的某種感覺，如視覺，強迫實驗者與外部刺激同步，由于長時間操作容易引起視覺疲勞或是降低P300電位的顯著性，對應的腦-機接口操作時間不宜過長。而自發腦電圖又依賴于用戶自發的精神活動，只有特殊的思考過程才能產生可探測的腦活動，需要實驗者進行大量的訓練來產生特定模式的腦電，受主觀因素影響較大。因此，實驗多在特定條件下完成，需要實驗者集中注意力，實現的動作簡單有限，缺乏自然性與靈活性，實用性不強。NIRS技術的時間分辨率比fMRI高，比EEG低；空間分辨率比EEG高，比fMRI低；若應用NIRS技術測試腦生物信息進行模式識別，有利于在自然環境下動態測量，但是生物信息的提取速率偏低。
【發明內容】
[0006]為了克服上述缺陷，本發明提供一種靈活性更高、實用性更強、動作更豐富且自然的基于腦皮層血紅蛋白信息識別運動模式的實現方法，該方法用于助行設備控制有助于提高助行設備的智能性。
[0007]本專利內容中的運動模式，無特殊說明均指下肢運動模式，文中不再贅述。
[0008]本發明為了解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于腦皮層血紅蛋白信息識別運動模式的實現方法，包括以下步驟:
[0009](I)設置四種運動模式，即上、下臺階和起、坐:所述上、下臺階運動又稱為雙腿非鏡像周期運動；所述起、坐運動又稱為雙腿鏡像對稱運動；受試者在該四種運動模式下自主控制運動的起始與終止時間；
[0010](2)將測試的腦皮層運動關聯區域分為左側前運動區、右側前運動區、運動輔助區、前運動輔助區和主要運動區五個關聯區域；
[0011](3)應用近紅外光腦功能成像設備對受試者在四種運動模式下大腦皮層的各個運動關聯區域的血紅蛋白濃度進行記錄；
[0012](4)測試受試者在四種運動模式下大腦皮層各個運動關聯區域內不同血紅蛋白種類的濃度信息；
[0013](5)受試者頭戴測試頭套，且測試頭套與頭部的腦皮層五個運動關聯區域一一對應的放置好；
[0014](6)受試者根據日常生活中的動作速度來掌握測試速度，首先做第一組任務:起、坐動作，受試者根據日常的起、坐習慣和速度來完成這一動作；并重復四次，每次動作的開始和終止均由受試者自主控制，實驗操作者負責標記mark ；
[0015](7)受試者根據日常生活中的動作速度來掌握測試速度，然后做第二組任務:上、下臺階動作，受試者根據日常的起、坐習慣和速度來完成這一動作；并重復四次，每次動作的開始和終止均由受試者自己控制，實驗操作者負責標記mark ;
[0016](8)基于所測試的血紅蛋白數據，應用統計分析法來分析在不同的運動模式下大腦皮層各個運動關聯區域內含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白變化速率的統計差異；將0.5作為pvalues，即p值的閾值；當p彡0.05時，表示統計差異有顯著意義；當p彡0.5時，表示統計差別無顯著意義；
[0017](9)在步驟(8)的基礎之上，分別分析各個大腦皮層運動關聯區域之間含氧血紅蛋白變化速率的差異與脫氧血紅蛋白變化速率的差異；
[0018](10)根據步驟(8)和(9)分析的差異情況對受試者的運動模式進行識別；
[0019](11)在右側前運動區:如果含氧血紅蛋白變化速率與脫氧血紅蛋白變化速率之間具有顯著的統計差異，則認為是雙腿非鏡像周期重復運動；
[0020]如果含氧血紅蛋白變化速率與脫氧血紅蛋白變化速率之間沒有統計差異，而且統計結果P多0.5，則認為是雙腿鏡像對稱運動；
[0021](12)針對雙腿非鏡像周期重復運動趨勢，在左側前運動區:如果含氧血紅蛋白變化速率與脫氧血紅蛋白變化速率之間具有顯著的統計差異，則判斷為是‘下臺階’運動模式；
[0022]如果含氧血紅蛋白變化速率與脫氧血紅蛋白變化速率之間沒有統計差異，且P ^ 0.5，則判斷為‘上臺階’運動模式；
[0023](13)針對雙腿鏡像對稱運動趨勢，如果各個運動區域的脫氧血紅蛋白變化速率之間具有顯著差異，則判斷為‘坐下’運動模式；
[0024]若各個運動區域的脫氧血紅蛋白變化速率之間沒有明顯差異，而且P ^ 0.5，則判斷為‘起立’運動模式。
[0025]作為本發明的進一步改進，在步驟(2)中:左側前運動區和右側前運動區主要參與運動控制和姿勢調整的準備工作；運動輔助區主要參與運動行為計劃以及雙肢體協調任務控制；前運動輔助區主要參與運動行為計劃；主要運動區主要負責給出運動控制命令。
[0026]作為本發明的進一步改進，所述的近紅外光腦功能成像設備的型號為津島F0IRE-3000，其所測試的原始數據通過帶通濾波保留0.02?0.06HZ之間的頻率成分，其作用是濾除掉測試期間引入的高頻噪聲以及脈搏，皮膚呼吸等低頻生理信號噪聲。
[0027]作為本發明的進一步改進，所述近紅外光腦功能成像設備有8對發射和接收端子，每對發射和接收端子之間的距離為3cm ;且通過8對發射和接收端子對24通路信息進行測試；每一通路記錄人體運動過程中的含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和總血紅蛋白的濃度信息。
[0028]作為本發明的進一步改進，所述近紅外光腦功能成像設備采用分時發射接收的方法，其測試24通路信息時采樣的周期為130ms ;且其測試深度為大腦皮層下2?3cm。
[0029]作為本發明的進一步改進，在步驟(7)中，臺階的階梯為4階，且臺階放置在近紅外光腦功能成像設備的一側，受試者下臺階之后退回起始位置準備下一次重復任務。
[0030]本發明的有益效果是:
[0031](I)應用非侵入式的NIRS腦信息獲取技術解決了侵入式腦-機接口技術引發的心理和倫理問題，并可以在進行大幅度運動期間進行測試，不需要外界刺激和大量前期訓練；
[0032](2)在運動過程中開展測試，是運動模式識別結果用于助行設備控制中的一個應用前提，運動的自主控制使得在認知活動的自