CN112022155A - 能对意识障碍患者进行听觉行为评估的脑机接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能对意识障碍患者进行听觉行为评估的脑机接口系统，包括：听觉刺激模块，用于为受试者提供听觉惊吓刺激；脑电采集模块，用于采集受试者的脑电图；评估模块，用于根据所述脑电图评估所述受试者是否存在听觉反应。本发明解决了一些存在听到，但无法产生听觉惊吓反应的DOC患者的听觉行为评估的问题，本发明可直接检测大脑活动而无需任何行为表达，为DOC患者听觉行为评估提供一种更客观和更敏感的方式，可以用于辅助CRS‑R行为评估。

Description

能对意识障碍患者进行听觉行为评估的脑机接口系统

技术领域

本发明属于意识障碍患者听觉行为评估技术领域。

背景技术

行为评估方法用于评估患有意识障碍(DOC)的脑损伤患者。脑损伤患者通常包括昏迷(Comma)，植物状态(VS)，最小意识状态(MCS)和脱离微意识状态(EMCS)。对DOC患者的意识水平的准确评估，对于他们的诊断以及他们的治疗和康复效果的监测非常重要。昏迷恢复量表修订版(CRS-R)的听觉行为评估是一种针对意识障碍(DOC)患者的一致且敏感的行为评估标准，其也是临床上应用最广泛的评估方法。然而，由于CRS-R依赖于行为标记，而意识障碍患者存在运动行为损伤，很难检出行为标记，使得CRS-R具有较大的局限性，导致了很高的误诊率。主要原因如下：首先，由于觉醒水平，疲劳，疼痛和其他因素的波动，DOC患者难以维持长期稳定状态以进行评估。其次，运动障碍和气管切开术的存在可能会影响行为反应，导致评估不精确。例如，CRS-R的若干项依赖于头部点头/摇动(例如，通信子量表)或重复的类似字的声音(例如，运动/语言功能子量表)用于评分。对于大多数气管切开术患者来说，这项任务并不容易，甚至不可能。此外，还存在评估者间可靠性(不同评估者之间的CRS-R评分的再现性)和测试-再测试可靠性的问题，这些问题分别与评估者和患者的状态有关。如最近的研究报道，CRS-R行为评估的这些局限性可以在DOC患者中产生高的误诊率。据观察，37％至43％被诊断为患有VS的患者实际上表现出了意识的迹象。

近年来，有结合视觉P300和稳态视觉诱发电位(SSVEP)的BCI，指示患者查看自己的照片或显示在计算机屏幕上的另一个不熟悉的照片,以检测DOC患者的意识。也有提出了使用全等视听号码刺激的视听BCI，实验中DOC患者被要求找到指令提示的目标数字，来检测DOC患者的意识。甚至有使用基于运动想象(MI)的BCI系统，DOC患者被指示想象挤压他们的右手，或移动他们的所有脚趾。一些DOC患者可能失去凝视的能力，无法进行上述BCI评估。为了克服DOC患者失去凝视能力带来的评估局限性，听觉BCI开始应用于DOC患者。这些听觉BCI在评估中通常要求DOC患者依据检测者发出的“是”，“不”，“停止”和“去”口令，做出相应行为反应。由于基于命令跟踪方式，一些患者没有表现出对命令的任何反应，也无法通过BCI进行沟通。

发明内容

本发明的发明目的是，为意识障碍患者听觉行为评估提供一种更客观和更敏感的脑机接口系统。

本发明的发明目的通过如下技术方案实现：一种能对意识障碍患者进行听觉行为评估的脑机接口系统，包括：

听觉刺激模块，用于为受试者提供听觉惊吓刺激；

脑电采集模块，用于采集受试者的脑电图；

评估模块，用于根据所述脑电图评估所述受试者是否存在听觉反应。

本发明可直接检测大脑活动而无需任何行为表达，提供了一种更客观和敏感的方式来评估听觉行为，可用于评估CRS-R中的一项听觉功能量表——听觉惊吓。

所述听觉惊恐刺激包括异常听觉刺激和常规听觉刺激，异常听觉刺激随机的排列在常规听觉刺激之间，以引出事件相关电位MMN和P300。

所述刺激周期进行，在每个周期里，包括一个异常听觉刺激和若干个常规听觉刺激。刺激周期进行，能有效简化后文的计算过程。

所述脑电采集模块采集的脑电图信号包括Fz、FCz、Cz、CPz这4个导联通道上记录的头皮信号。上述信号经过滤波频段为0.05Hz到100Hz的带通滤波器处理后输入。

所述评估模块通过检测所述脑电图是否出现由所述异常听觉刺激引出的MMN和P300电位判断所述受试者是否存在听觉反应。

所述评估模块在检测到两次以上由所述异常听觉刺激引出的MMN和P300电位时，判断所述受试者是否存在听觉反应，避免偶然事件导致的误判。

所述评估模块通过如下方式检测由所述异常听觉刺激引出的MMN和P300电位：

在每个周期里，计算每个刺激对应的MMN和P300电位的差分值的绝对值，判断异常听觉刺激对应的值是否为最大值；在该周期里，若所有关注的导联通道中多数通道上异常听觉刺激对应的值为最大值，则判断该周期里，异常听觉刺激引出有的MMN和P300电位。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)本发明解决了一些存在听到，但无法产生听觉惊吓反应的DOC患者的听觉行为评估的问题，本发明可直接检测大脑活动而无需任何行为表达，为DOC患者听觉行为评估提供一种更客观和更敏感的方式，可以用于辅助CRS-R行为评估；

2)常规的BCI系统都是以训练的方式设计的，即首先基于在训练期间收集的数据集构建数学模型，然后将其用于对输入信号进行分类并提供在线反馈。模型训练过程可能增加对DOC患者应用BCI方法的难度，因为DOC患者的觉醒期通常太短而无法获得可靠的数学模型。本发明脑机接口系统，将常规和异常听觉刺激随机呈现给受试者，引出事件相关电位MMN和P300，然后通过检测最大差分值这种新的峰值检测算法，实现不需要初始训练，即可判断是否引出事件相关电位MMN和P300，从而判断受试者是否存在听觉反应。

具体实施方式

本实施例能对意识障碍患者进行听觉行为评估的BCI系统中，使用响亮的拍手声(约90dB，持续时间200ms)作为异常听觉刺激,环境背景噪声(约40dB，持续时间200ms)作为常规听觉刺激，1个异常听觉刺激和4个常规听觉刺激随机组成1次听觉刺激期，每个听觉刺激间隔600ms，10次刺激期构成1次听觉行为评估试验。BCI系统使用放大器和脑电帽记录Fz、FCz、Cz、CPz这4个导联导通上的EEG信号。EEG信号被放大，以250Hz的采样率记录头皮EEG信号，带通滤波器滤波频段在0.05Hz到100Hz之间。所有导联通道的阻抗均保持在5KΩ以下。

EEG信号采样后，对意思障碍患者听觉行为评估的过程如下：

一、对原始测试样本EEG信号带通滤波，获取10次刺激期滤波数据

选取Fz、FCz、Cz、CPz这4个导联通道上的EEG信号，在0.05Hz到100Hz范围内进行六阶最小相位FIR带通滤波。带通滤波之后，每个通道上提取10次刺激期内，每1个刺激期由1个异常刺激和4个常规刺激随机组合构成的事件相关电位对应的EEG数据。

二、选取和建立第i次刺激期中1个异常刺激的测试样本向量

A_i＝(a_i，Fz，250，a_{i，FCz，250}，a_i，Cz，250，a_{i，CPz，250})

a_i，Fz，250，a_{i，FCz，250}，a_i，Cz，250，a_{i，CPz，250}分别为1个异常刺激发作时间范围为-200ms到800ms(本发明中，以刺激的发起时间为时间0点)，Fz，FCz，Cz和CPz通道对应的维数为250的样本向量分量。上述四个样本向量分量构建成异常刺激测试样本向量A_i。

三、选取和建立第i次刺激期中4个常规刺激测试样本向量

B_i＝(b_i，Fz，250，b_{i，FCz，250}，b_i，Cz，250，b_{i，CPz，250})

C_i＝(C_i，Fz，250，C_{i，FCz，250}，C_i，Cz，250，C_{i，CPz，250})

D_i＝(d_i，Fz，250，d_{i，FCz，250}，d_i，Cz，250，d_{i，CPz，250})

E_i＝(e_i，Fz，250，e_{i，FCz，250}，e_i，Cz，250，e_{i，CPz，250})

B_i、C_i、D_i、E_i分别为4个常规刺激发作时间范围为-200ms到800ms，由Fz，FCz，Cz和CPz四个通道，维数为250的样本向量分量构成的4个常规刺激测试样本向量。

四、建立第i次刺激期中1个异常刺激测试样本差分向量

求取第i次刺激期中异常刺激测试样本Fz通道差分向量分量：

da_i，Fz，250＝Max(a_i，Fz，250)-Min(a_i，Fz，250)

其中Min(a_i，Fz，250)为第i次刺激期中异常刺激250ms到40ms的范围内最小值，Max(a_i，Fz，250)为Min(a_i，Fz，250)后的100ms的范围内找到最大值。

同理，分别求得第i次刺激期中异常刺激测试样本FCz，Cz和CPz通道差分向量分量：

da_{i，FCz，250}＝Max(a_{i，FCz，250})-Min(a_{i，FCz，250})

da_i，Cz，250＝Max(a_i，Cz，250)-Min(a_i，Cz，250)

da_{i，CPz，250}＝Max(a_{i，CPz，250})-Min(a_{i，CPz，250})

构建第i次刺激期中异常刺激测试样本差分向量：

dA_i＝(da_i，Fz，250，da_{i，FCz，250}，da_i，Cz，250，da_{i，CPz，250})

五、建立第i次刺激期中四个常规刺激测试样本差分向量

按照步骤四，建立第i次刺激期中四个常规刺激测试样本差分向量：

dB_i＝(db_i，Fz，250，db_{i，FCz，250}，db_i，Cz，250，db_{i，CPz，250})

dC_i＝(dC_i，Fz，250，dC_{i，FCz，250}，dc_i，Cz，250，dc_{i，CPz，250})

dD_i＝(dd_i，Fz，250，dd_{i，FCz，250}，dd_i，Cz，250，dd_{i，CPz，250})

dE_i＝(de_i，Fz，250，de_{i，FCz，250}，de_i，Cz，250，de_{i，CPz，250})

六、建立第i次刺激期中1个异常刺激和4个常规刺激测构成的测试样本差分向量

d_i＝(dA_i，dB_i，dC_i，dD_i，dE_i)

七、判断第i次刺激期中异常刺激是否属于目标刺激

依据d_i测试样本差分向量，判断下面4个等式是否成立：

da_i，Fz，250＝Max(da_i，Fz，250，db_i，Fz，250，dC_i，Fz，250，dd_i，Fz，250，de_i，Fz，250)

da_{i，FCz，250}＝Max(da_{i，FCz，250}，db_{i，FCz，250}，dC_{i，FCz，250}，dd_{i，FCz，250}，de_{i，FCz，250})

da_i，Cz，250＝Max(da_i，Cz，250，db_i，Cz，250，dc_i，Cz，250，dd_i，Cz，250，de_i，Cz，250)

da_{i，CPz，250}＝Max(da_{i，CPz，250}，db_{i，CPz，250}，dc_{i，CPz，250}，dd_{i，CPz，250}，de_{i，CPz，250})

如果上面4个等式至少有3个成立，则第i次刺激期中异常刺激属于目标刺激。

八、异常刺激统计分析，判定DOC患者对听觉惊吓有无反应

10次刺激期中，异常刺激属于目标刺激的个数为n，如果下式成立，则判定DOC患者对听觉惊吓有反应，否则没有反应。

在本发明中，19名意识障碍患者参加了临床医生的CRS-R评估和本发明的评估，其中3名患者在临床医生的CRS-R评估中没有表现出听觉惊吓行为反应，但在本发明的评估中显示出这种行为。这些结果显示，在临床医生的CRS-R评估中没有听觉行为反应的一部分DOC患者，可以产生神经反应，可以通过本发明检测到。因此，本发明以提供比临床医生的CRS-R更敏感的结果，从而有助于临床医生对意识障碍患者患者进行听觉行为评估。

本发明的实施方式不限于此，在本发明上述基本技术思想前提下，按照本领域的普通技术知识和惯用手段对本发明内容所做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种能对意识障碍患者进行听觉行为评估的脑机接口系统，其特征在于，包括：

听觉刺激模块，用于为受试者提供听觉惊吓刺激；

脑电采集模块，用于采集受试者的脑电图；

评估模块，用于根据所述脑电图评估所述受试者是否存在听觉反应。

2.根据权利要求1所述的脑机接口系统，其特征在于，所述听觉惊恐刺激包括异常听觉刺激和常规听觉刺激，异常听觉刺激随机的排列在常规听觉刺激之间，以引出事件相关电位MMN和P300。

3.根据权利要求2所述的脑机接口系统，其特征在于，所述刺激周期进行，在每个周期里，包括一个异常听觉刺激和若干个常规听觉刺激。

4.根据权利要求3所述的脑机接口系统，其特征在于，所述脑电采集模块采集的脑电图信号包括Fz、FCz、Cz、CPz这4个导联通道上记录的头皮信号。

5.根据权利要求4所述的脑机接口系统，其特征在于，所述头皮信号经过滤波频段为0.05Hz到100Hz的带通滤波器处理后输入。

6.根据权利要求3或4所述的脑机接口系统，其特征在于，所述评估模块通过检测所述脑电图是否出现由所述异常听觉刺激引出的MMN和P300电位判断所述受试者是否存在听觉反应。

7.根据权利要求6所述的脑机接口系统，其特征在于，所述评估模块在检测到两次以上由所述异常听觉刺激引出的MMN和P300电位时，判断所述受试者是否存在听觉反应。

8.根据权利要求6所述的脑机接口系统，其特征在于，所述评估模块通过如下方式检测由所述异常听觉刺激引出的MMN和P300电位：

在每个周期里，计算每个刺激对应的MMN和P300电位的差分值的绝对值，判断异常听觉刺激对应的值是否为最大值；在该周期里，若所有关注的导联通道中多数通道上异常听觉刺激对应的值为最大值，则判断该周期里，异常听觉刺激引出有的MMN和P300电位。