一種基于視聽覺腦機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及腦機(jī)接口與意識(shí)障礙檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于視聽覺腦機(jī) 接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 許多車禍或腦缺氧導(dǎo)致的大腦嚴(yán)重創(chuàng)傷的病人從昏迷狀態(tài)清醒后往往會(huì)進(jìn)入意 識(shí)障礙狀態(tài)。而根據(jù)病人覺知水平的不同，該該類患者可分為多個(gè)臨床狀態(tài)，如植物狀態(tài) (vegetative state, VS)、最小意識(shí)狀態(tài)（minimally conscious state, MCS)等。一般來 說，不同意識(shí)障礙程度的患者需要不同的治療方案，因此，準(zhǔn)確判定患者的意識(shí)障礙水平顯 得異常重要。
[0003] 目前，臨床上評(píng)定患者的意識(shí)障礙程度主要依靠量表（例如，Glasgow格拉斯哥昏 迷量表、JFK昏迷恢復(fù)量表等）以及臨床經(jīng)驗(yàn)，通過檢查眼睛、言語和運(yùn)動(dòng)三方面刺激所引 起的反應(yīng)來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。這類方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)急性腦損傷后昏迷簡(jiǎn)捷有效，但對(duì)于VS 和MCS患者則顯得過于粗糙。有時(shí)對(duì)病情變化的敏感度不高，不能確切反映臨床實(shí)際情況， 因此行為判斷往往帶有一定主觀性和不可預(yù)測(cè)性。
[0004] 腦機(jī)接口（brain computer interface，BCI)是指在人腦和計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè) 備之間建立的直接的交流和控制通道，它不依賴于腦的正常生理輸出通路（外周神經(jīng)系統(tǒng) 及肌肉組織），是一種全新的人機(jī)接口方式，是近年來腦功能研究的熱點(diǎn)課題。腦機(jī)接口的 主要目的是殘疾人的神經(jīng)功能輔助與康復(fù)。如今，一種新的腦機(jī)接口用途是對(duì)意識(shí)障礙患 者進(jìn)行意識(shí)狀態(tài)的檢測(cè)。
[0005] 目前用于檢測(cè)意識(shí)狀態(tài)的腦機(jī)接口方法全部采用基于單聽覺或者單視覺刺激來 實(shí)現(xiàn)。單聽覺腦機(jī)接口和單視覺腦機(jī)接口的一個(gè)通病就是準(zhǔn)確率低。目前從正常人的使用 情況來看，視聽覺腦機(jī)接口要比單聽覺腦機(jī)接口和單視覺腦機(jī)接口的準(zhǔn)確率要好得多。本 發(fā)明設(shè)計(jì)的就是采用視聽覺腦機(jī)接口來進(jìn)行意識(shí)障礙患者的意識(shí)檢測(cè)。
[0006] 本發(fā)明使用數(shù)字作為刺激語義素材，設(shè)計(jì)出同時(shí)發(fā)出視覺和聽覺刺激的視聽覺腦 機(jī)接口，受試者受視聽覺刺激的影響后能產(chǎn)生視聽覺整合效應(yīng)，產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)不同的腦 信號(hào)，從而提高腦機(jī)接口的性能，例如，分類準(zhǔn)確率，從而達(dá)到服務(wù)于意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)臨床和 科研的目的。
[0007] 本發(fā)明的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)視聽覺腦機(jī)接口，視聽覺刺激為同方位同時(shí)出現(xiàn)的語義匹 配的視覺和聽覺刺激，如果不同方位或者不同時(shí)間或者視覺和聽覺刺激含義不一致，就難 以產(chǎn)生視聽覺效應(yīng)，達(dá)不到預(yù)期的檢測(cè)效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有臨床診斷采用量表以及臨床經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)對(duì)病情變化的敏感度不高、 主觀性太強(qiáng)以及單視覺或單聽覺腦機(jī)接口檢測(cè)準(zhǔn)確率太低的缺陷，提供一種基于視聽覺腦 機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法。采用同步語義匹配的視聽覺刺激后，比臨床量表和經(jīng)驗(yàn)檢測(cè) 更準(zhǔn)確，同時(shí)比功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI)的方 法更便宜、便捷、方便。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種基于視聽覺腦機(jī)接口的意識(shí) 狀態(tài)檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0010] 1)界面設(shè)計(jì)
[0011] 選用個(gè)位數(shù)字作為刺激語義素材，界面呈現(xiàn)時(shí)電腦從〇-9中隨機(jī)抽取了 2個(gè)作為 刺激，并隨機(jī)地放置在圖形用戶界面的左邊和右邊，兩個(gè)喇叭放置在顯示器的兩側(cè)，每次刺 激出現(xiàn)時(shí)，視覺刺激是數(shù)字按鍵的閃爍，即屏幕上的數(shù)字按鍵的底色從黑色變成綠色，而按 鍵上數(shù)字從白色變成黑色，聽覺刺激是閃爍的數(shù)字的女聲錄音，聽覺刺激與視覺刺激同時(shí) 同一側(cè)出現(xiàn)；
[0012] 2)信號(hào)采集
[0013] 在信號(hào)采集過程中，受試者戴上腦電采集帽，就坐于刺激端顯示器前，顯示器高度 調(diào)至平視水平，所有通道的腦電信號(hào)均以右耳突為參照，其中"HE0G"與"VE0G"兩個(gè)通道代 表眼球運(yùn)動(dòng)，故在這里被排除在外，實(shí)驗(yàn)采用所有的32個(gè)通道的腦電信號(hào)，腦電采集過程 中，所有電極的阻抗值皆為5kQ以下，腦電信號(hào)以250Hz的頻率采樣，并在0. 1至30Hz的 范圍內(nèi)進(jìn)行帶通濾波；
[0014] 3)檢測(cè)過程
[0015] 每一個(gè)受試者需要做至少2次測(cè)試，每次測(cè)試需要完成至少5個(gè)選擇任務(wù)，第一次 測(cè)試的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練模型，而后面的測(cè)試將用于得到最終的檢測(cè)結(jié)果；
[0016] 每一個(gè)選擇任務(wù)的過程如下：
[0017] ①指導(dǎo)語播放，在開始的時(shí)候，系統(tǒng)在屏幕上方出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的指導(dǎo)語，并在兩側(cè) 喇叭中播放，同時(shí)兩個(gè)數(shù)字，分別隨機(jī)地展示在圖形用戶界面的左邊和右邊；
[0018] ②刺激呈現(xiàn)，指導(dǎo)語播完后，兩張數(shù)字按鍵進(jìn)行隨機(jī)的閃爍，每個(gè)數(shù)字按鍵閃爍5 次后下一個(gè)按鍵閃爍5次，每一次選擇任務(wù)中每個(gè)按鍵閃爍十次，而輪流的次序隨機(jī)，每次 閃爍的時(shí)間至少為100暈秒，兩次閃爍的間隔為700-1500 _秒；
[0019] ③閃爍完成后，系統(tǒng)把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理后，把結(jié)果呈現(xiàn)在屏幕中央，持續(xù)至少2秒， 如果正確，則出現(xiàn)一個(gè)" V "，并出現(xiàn)選擇的數(shù)字，同時(shí)喇叭中播放鼓掌聲，如果錯(cuò)誤，則出現(xiàn) " X "，并出現(xiàn)選擇的數(shù)字，喇叭不播放聲音；
[0020] ④結(jié)果呈現(xiàn)后，受試者休息；
[0021] 4)數(shù)據(jù)處理
[0022] 刺激呈現(xiàn)完成后，放大器把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸送到電腦中，系統(tǒng)中的算法立即對(duì)實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理，處理算法如下：
[0023] 首先，腦電信號(hào)在0. 1-20HZ頻率范圍內(nèi)進(jìn)行帶通濾波，并進(jìn)行1/5下采樣；把每個(gè) 通道采集的信號(hào)分割成數(shù)據(jù)單元，每個(gè)數(shù)據(jù)單元都是從一組按鈕閃爍后從〇到500毫秒時(shí) 間內(nèi)以向量的形式表示；如果受試者注視某一個(gè)數(shù)字，則該向量會(huì)包含一個(gè)ERP的波形；然 后，連接32個(gè)通道的向量，并通過平均所有10次閃爍的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)造對(duì)應(yīng)每個(gè)數(shù)字按鍵 的特征向量；把這些特征向量輸入到使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成的SVM分類器中，得到分別對(duì)應(yīng)2個(gè) 數(shù)字的2個(gè)分?jǐn)?shù)；最大的SVM分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)字按鍵就是受試者所選擇的按鍵；
[0024] 5)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與評(píng)估
[0025] 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過準(zhǔn)確率和ERP波形來評(píng)估被試的意識(shí)狀態(tài)；
[0026] 準(zhǔn)確率評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：準(zhǔn)確率是由正確的任務(wù)數(shù)目除以全部任務(wù)的數(shù)目而得來，為了 衡量準(zhǔn)確率是否顯著，通過統(tǒng)計(jì)命中與不命中的觀察次數(shù)和理論次數(shù)，并根據(jù)下列公式進(jìn) 行卡方檢測(cè)：
[0028] 其中，foJP fe 別是第i (i = 1，2, . . .，k)個(gè)分類的觀察次數(shù)和理論次數(shù)；在這 里，觀察項(xiàng)目分為兩類，f〇JP f〇 2分別是命中和不命中的觀察次數(shù)，fe JP fe 2分別是命中和 不命中的理論次數(shù)，以及分類項(xiàng)數(shù)k是自由度，即k = 1 ;當(dāng)使用兩類BCI進(jìn)行所有判定時(shí)， 在完全概率相等的情況下應(yīng)該是命中和不命中的次數(shù)都應(yīng)該是相等的，為了表明觀察次數(shù) 的顯著性，即概率P < 0. 05,自由度為1時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量X2需要大于3. 84 ;
[0029] 將所有任務(wù)的腦電信號(hào)，在0. 1-20HZ頻率范圍內(nèi)進(jìn)行帶通濾波，然后把每個(gè)通道 采集的信號(hào)分割成0-500毫秒時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，把所有重復(fù)次數(shù)和任務(wù)次數(shù)的數(shù)據(jù)平 均后，按照目標(biāo)和非目標(biāo)區(qū)分，可以分別畫出它們所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)波形，通過潛伏期、波幅這 些指標(biāo)，判斷受試者是否產(chǎn)生了 ERP波形，最后結(jié)合命中率來判斷受試者是否存在意識(shí)，若 受試者產(chǎn)生了 ERP波形，且命中率合格，則判斷受試者存在意識(shí)，若受試者沒有產(chǎn)生ERP波 形，且命中率不合格，則判斷受試者不存在意識(shí)，若受試者沒有產(chǎn)生ERP波形但命中率合格 或者命中率不合格但產(chǎn)生ERP波形，則受試者有待觀察。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：
[0031] 1、本發(fā)明引入基于視聽覺腦機(jī)接口來提高其檢測(cè)存留認(rèn)知功能和潛在意識(shí)的可 能。兩個(gè)數(shù)字按鍵以隨機(jī)的次序閃爍從而產(chǎn)生視覺相關(guān)的ERP電位。在同一時(shí)間，兩張數(shù) 字的聲音同時(shí)出現(xiàn)從而產(chǎn)生聽覺相關(guān)的ERP電位。而同時(shí)出現(xiàn)的視覺和聽覺刺激會(huì)產(chǎn)生視 聽覺整合效應(yīng)，比單視覺和聽覺的腦機(jī)接口相比，能提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確率以及增加 ERP響應(yīng) 波形，從而提高系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性，達(dá)到服務(wù)于意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)臨床和科研的目的。
[0032] 2、本發(fā)明采用基于腦機(jī)接口的檢測(cè)方法，克服了臨床量表和經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)的對(duì)病情變 化的敏感度不高、主觀性太強(qiáng)等缺點(diǎn)，同時(shí)，與fMRI費(fèi)用高、不便攜（只能在大型醫(yī)院的核 磁共振室進(jìn)行）以及嚴(yán)格的身體要求（不能帶金屬支架，不準(zhǔn)移動(dòng)身體等諸多限制）等相 比，能更方便的應(yīng)用以及方便，可以很好應(yīng)用到臨床上。
[0033] 3、本發(fā)明不但可以有效應(yīng)用于意識(shí)障礙患者診斷、康復(fù)的效果判斷和治療療效的 跟蹤，還可以為常規(guī)性的量表診斷提供科學(xué)客觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)，以保證檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和 有效性。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明所述基于視聽覺腦機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法的界面示意圖。
[0035] 圖2為本發(fā)明所述基于視聽覺腦機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法的刺激編排示意圖。
[0036] 圖3為受試者所產(chǎn)生的ERP波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0038] 本實(shí)施例所述的基于視聽覺腦機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法，其具體情況如下：
[0039] 1)界面設(shè)計(jì)
[0040] 本發(fā)明所使用的圖形用戶界面（GUI)如圖1所示。界面呈現(xiàn)時(shí)電腦從0-9中隨機(jī) 抽取了 2個(gè)（例如圖1中的6和8)作為刺激，并隨機(jī)地放置在GUI的左邊和右邊。兩個(gè)數(shù) 字按鍵的大小都是6. 6厘米X9厘米，兩個(gè)數(shù)字按鍵的水平距離是4厘米。兩個(gè)喇叭放置 在顯示器的兩側(cè)。每次刺激出現(xiàn)時(shí)，視覺刺激是數(shù)字按鍵的閃爍，即屏幕上的數(shù)字按鍵的底 色從黑色變成綠色，而按鍵上數(shù)字從白色變成黑色，聽覺刺激是閃爍的數(shù)字的女聲錄音，聽 覺刺激與視覺刺激同時(shí)同一側(cè)出現(xiàn)。
[0041] 2)信號(hào)采集
[0042] 我們米用 Compumedics 公司的 NuAmps 便攜式放大器（Nuamps 7181，Compumedics USA，Charotte