基于脑皮层血红蛋白信息识别运动模式的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于脑皮层血红蛋白信息识别运动模式的实现方法，属于脑机接口方向。
【背景技术】
[0002]根据第六次全国人口普查我国总人口数及第二次全国残疾人抽样调查，推算了2010年末我国残疾人总人数及各类、不同等级的残疾人数:其中肢体残疾所占的比例最大为29.08%。此外，我国逐渐进入高龄化社会，2012年，全国60岁及以上老年人口 19390万人，占总人口的14.3%;其中65岁及以上人口 12714万人，占总人口的9.4%。据专家预测，到2020年，中国60岁及65岁以上人口比重分别为16.23%和11.30%;2030年为22.34%和15.21% ;2040年为25%和20%。从上述数据可看出到2030年时，中国将进入“超老年型”社会。而到了 2050年，60岁以上的人口总数将达到4亿左右，占总人口的比重将超过25.2%，届时，每4个中国人中间就有I个老年人，中国将成为高度老龄化的国家。随着人口结构的老龄化，有运动功能障碍的高龄患者越来越多，为这些有运动功能障碍的残疾人和老龄人配备助行设备是协助他们实现独立行走、重新回归社会主流的主要手段。
[0003]为了提高助老助残设备的智能性，很多研宄机构致力于研发基于脑机接口技术的新型助老助残产品。然而，目前的脑机接口技术还存在以下主要问题:
[0004](I)植入式或者半植入式的脑机接口技术已经取得了突破性进展，但是将微型电极植入实验者的大脑灰质中或是硬脑膜下的大脑皮层上，可能引发免疫反应和愈伤组织；而且还存在植入后的心理与伦理问题，目前尚不适于广泛应用。
[0005](2)非侵入式的脑信息测试技术包括脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、功能性核磁共振图像(fMRI)、正电子发射层析成像(PET)和近红外光谱脑功能成像(NIRS)等技术；其中fMRI和PET技术的空间分辨率较高，但是时间分辨率低，在测试过程中身体常局限在静止状态，有很大的约束性；MEG的应用要求对外部磁场进行充分屏蔽；所以目前主要是EEG和NIRS技术应用于助老助残的产品研发中。但是在基于EEG信号的脑-机接口系统研宄中，常用的基于视觉诱发电位(VEP)和事件相关电位(P300)这两类方法需要额外的刺激装置提供刺激来产生诱发电位，并且依赖于人的某种感觉，如视觉，强迫实验者与外部刺激同步，由于长时间操作容易引起视觉疲劳或是降低P300电位的显著性，对应的脑-机接口操作时间不宜过长。而自发脑电图又依赖于用户自发的精神活动，只有特殊的思考过程才能产生可探测的脑活动，需要实验者进行大量的训练来产生特定模式的脑电，受主观因素影响较大。因此，实验多在特定条件下完成，需要实验者集中注意力，实现的动作简单有限，缺乏自然性与灵活性，实用性不强。NIRS技术的时间分辨率比fMRI高，比EEG低；空间分辨率比EEG高，比fMRI低；若应用NIRS技术测试脑生物信息进行模式识别，有利于在自然环境下动态测量，但是生物信息的提取速率偏低。
【发明内容】
[0006]为了克服上述缺陷，本发明提供一种灵活性更高、实用性更强、动作更丰富且自然的基于脑皮层血红蛋白信息识别运动模式的实现方法，该方法用于助行设备控制有助于提高助行设备的智能性。
[0007]本专利内容中的运动模式，无特殊说明均指下肢运动模式，文中不再赘述。
[0008]本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于脑皮层血红蛋白信息识别运动模式的实现方法，包括以下步骤:
[0009](I)设置四种运动模式，即上、下台阶和起、坐:所述上、下台阶运动又称为双腿非镜像周期运动；所述起、坐运动又称为双腿镜像对称运动；受试者在该四种运动模式下自主控制运动的起始与终止时间；
[0010](2)将测试的脑皮层运动关联区域分为左侧前运动区、右侧前运动区、运动辅助区、前运动辅助区和主要运动区五个关联区域；
[0011](3)应用近红外光脑功能成像设备对受试者在四种运动模式下大脑皮层的各个运动关联区域的血红蛋白浓度进行记录；
[0012](4)测试受试者在四种运动模式下大脑皮层各个运动关联区域内不同血红蛋白种类的浓度信息；
[0013](5)受试者头戴测试头套，且测试头套与头部的脑皮层五个运动关联区域一一对应的放置好；
[0014](6)受试者根据日常生活中的动作速度来掌握测试速度，首先做第一组任务:起、坐动作，受试者根据日常的起、坐习惯和速度来完成这一动作；并重复四次，每次动作的开始和终止均由受试者自主控制，实验操作者负责标记mark ；
[0015](7)受试者根据日常生活中的动作速度来掌握测试速度，然后做第二组任务:上、下台阶动作，受试者根据日常的起、坐习惯和速度来完成这一动作；并重复四次，每次动作的开始和终止均由受试者自己控制，实验操作者负责标记mark ;
[0016](8)基于所测试的血红蛋白数据，应用统计分析法来分析在不同的运动模式下大脑皮层各个运动关联区域内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白变化速率的统计差异；将0.5作为pvalues，即p值的阈值；当p彡0.05时，表示统计差异有显著意义；当p彡0.5时，表示统计差别无显著意义；
[0017](9)在步骤(8)的基础之上，分别分析各个大脑皮层运动关联区域之间含氧血红蛋白变化速率的差异与脱氧血红蛋白变化速率的差异；
[0018](10)根据步骤(8)和(9)分析的差异情况对受试者的运动模式进行识别；
[0019](11)在右侧前运动区:如果含氧血红蛋白变化速率与脱氧血红蛋白变化速率之间具有显著的统计差异，则认为是双腿非镜像周期重复运动；
[0020]如果含氧血红蛋白变化速率与脱氧血红蛋白变化速率之间没有统计差异，而且统计结果P多0.5，则认为是双腿镜像对称运动；
[0021](12)针对双腿非镜像周期重复运动趋势，在左侧前运动区:如果含氧血红蛋白变化速率与脱氧血红蛋白变化速率之间具有显著的统计差异，则判断为是‘下台阶’运动模式；
[0022]如果含氧血红蛋白变化速率与脱氧血红蛋白变化速率之间没有统计差异，且P ^ 0.5，则判断为‘上台阶’运动模式；
[0023](13)针对双腿镜像对称运动趋势，如果各个运动区域的脱氧血红蛋白变化速率之间具有显著差异，则判断为‘坐下’运动模式；
[0024]若各个运动区域的脱氧血红蛋白变化速率之间没有明显差异，而且P ^ 0.5，则判断为‘起立’运动模式。
[0025]作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中:左侧前运动区和右侧前运动区主要参与运动控制和姿势调整的准备工作；运动辅助区主要参与运动行为计划以及双肢体协调任务控制；前运动辅助区主要参与运动行为计划；主要运动区主要负责给出运动控制命令。
[0026]作为本发明的进一步改进，所述的近红外光脑功能成像设备的型号为津岛F0IRE-3000，其所测试的原始数据通过带通滤波保留0.02?0.06HZ之间的频率成分，其作用是滤除掉测试期间引入的高频噪声以及脉搏，皮肤呼吸等低频生理信号噪声。
[0027]作为本发明的进一步改进，所述近红外光脑功能成像设备有8对发射和接收端子，每对发射和接收端子之间的距离为3cm ;且通过8对发射和接收端子对24通路信息进行测试；每一通路记录人体运动过程中的含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白和总血红蛋白的浓度信息。
[0028]作为本发明的进一步改进，所述近红外光脑功能成像设备采用分时发射接收的方法，其测试24通路信息时采样的周期为130ms ;且其测试深度为大脑皮层下2?3cm。
[0029]作为本发明的进一步改进，在步骤(7)中，台阶的阶梯为4阶，且台阶放置在近红外光脑功能成像设备的一侧，受试者下台阶之后退回起始位置准备下一次重复任务。
[0030]本发明的有益效果是:
[0031](I)应用非侵入式的NIRS脑信息获取技术解决了侵入式脑-机接口技术引发的心理和伦理问题，并可以在进行大幅度运动期间进行测试，不需要外界刺激和大量前期训练；
[0032](2)在运动过程中开展测试，是运动模式识别结果用于助行设备控制中的一个应用前提，运动的自主控制使得在认知活动的自