CN104755026B - 用于显示存在于eeg记录中的伪影量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本文中公开一种用于以图形形式显示存在于EEG记录(51)中的伪影量的系统(20)和方法。以图形形式(110)显示存在于EEG记录(51)中的伪影量允许EEG记录(51)的评阅者看到多少肌肉和眼移动存在于EEG记录(51)中。

Description

用于显示存在于EEG记录中的伪影量的方法和系统

技术领域

本发明总体涉及用于显示EEG数据的方法和系统。更具体地，本发明涉及显示存在于EEG记录中的伪影量。

背景技术

脑电图(“EEG”)是测量和记录人脑的电活动以便评估脑功能的诊断工具。多个电极被附接到人的头部并通过接线被连接到机器。该机器放大信号并记录人脑的电活动。该电活动由跨多个神经元的神经活动的总和产生。这些神经元生成小的电压场。这些电压场的聚合创建在人的头部上的电极能够检测和记录的电读数。EEG是多个更简单信号的叠加。在正常成人中，EEG信号的振幅的典型范围从1微伏到100微伏，而且当用硬膜下电极测量时，EEG信号大约为10到20毫伏。对电信号的振幅和时间动态的监测提供关于人的底层神经活动和医学状况的信息。

EEG被执行为：诊断癫痫；验证意识丧失或痴呆的问题；验证昏迷中的人的脑部活动；研究睡眠障碍，监测手术期间的脑部活动，以及附加的身体问题。

多个电极(典型地17至21个，然而存在用于至少70个的标准位置)在EEG期间被附接到人的头部。电极通过电极关于人脑的脑叶或区域的位置来引用。引用如下：F＝额部的；Fp＝额极的；T＝颞颥的；C＝中心的；P＝颅顶的；O＝枕部的；以及A＝近耳的(耳部电极)。数字被用于进一步使位置变窄，并且“z”点与人的头部的中线中的电极位点有关。心电图(“EKG”)也可以出现在EEG显示上。

EEG使用电极的各种组合(被称为蒙太奇(montage))记录来自不同放大器的脑波。蒙太奇一般被创建为提供EEG跨皮层的空间分布的清晰图片。蒙太奇是从记录电极的空间阵列获得的电地图，而且优选地指的是在特定时间点被检查的电极的特定组合。

在双极蒙太奇中，连续的电极对通过将一个通道的电极输入2连接到随后通道的输入1而被链接，以便相邻通道具有公用的一个电极。电极的双极链可以从前到后(纵向的)或者从左到右(横向的)进行连接。在双极蒙太奇中，两个活动电极位点之间的信号被比较，从而导致被记录的活动差异。另一类型的蒙太奇是有参考蒙太奇或单极蒙太奇。在有参考蒙太奇中，各电极被连接到每个放大器的输入1，并且参考电极被连接到每个放大器的输入2。在参考蒙太奇中，信号在活动电极位点处被收集，并与公用参考电极相比较。

参考蒙太奇有益于确定波形的真实振幅和形态。对于颞颥电极，CZ通常是良好的头皮参考。

能够定位电活动的起源(“定位”)对能够分析EEG至关重要。在双极蒙太奇中，定位正常的或异常的脑波通常通过标识“相位反转”(链内指向相反方向的两个通道的偏差)而实现。在有参考蒙太奇中，所有通道可以在相同方向中示出偏差。当相较于参考电极处的活动时，如果在活动电极处的电活动是正的，则偏差将是向下的。电活动与参考电极处相同的电极将不示出任何偏差。一般地，在有参考蒙太奇中，具有最大向上偏差的电极表示最大负活动。

一些图案指示人体中朝向发作的趋势。医师可以将这些波称为“癫痫样异常”或者“癫痫波”。这些包括棘(spike)、尖波(sharp wave)和棘-和-波放电(spike-and-wavedischarge)。在脑部的具体区域(诸如左颞叶)中的棘和尖波指示部分性发作可能来自于那个区域。另一方面，原发性全身性癫痫由广泛地遍布在脑部的两个半球上的棘-和-波放电所暗示，特别是如果它们同时在两个半球中开始。

存在若干类型的脑波：alpha波、beta波、delta波、theta波和gamma波。Alpha波具有8到12赫兹(“Hz”)的频率。当人放松或在人眼闭合但人精神上警觉时的清醒状态中时，通常会发现alpha波。当人眼打开或人专注时，alpha波停止。Beta波具有13Hz到30Hz的频率。当人警觉、思考、激动或已经服用高剂量的某些药物时，通常会发现beta波。Delta波具有小于3Hz的频率。仅当人睡着(非REM或无梦睡眠)或者人是幼儿时，通常会发现delta波。Theta波具有4Hz到7Hz的频率。仅当人睡着(有梦或REM睡眠)或者人是幼儿时，通常会发现theta波。Gamma波具有30Hz到100Hz的频率。Gamma波通常在更高的精神活动和运动功能期间会被发现。

以下定义在本文中被使用。

“振幅”指的是从波谷到最高峰测量的垂直距离(负的或正的)。它表达关于神经元群的大小以及在分量生成期间其活化同步的信息。

术语“模拟数字转换”指的是模拟信号被转换成数字信号的情况，数字信号然后可以被存储在计算机中以用于进一步处理。模拟信号是“真实世界”信号(例如生理信号，诸如脑电图、心电图或眼电图)。为了它们被计算机存储和操作，这些信号必须被转换成计算机可以理解的离散数字形式。

“伪影(artifact)”是由EEG沿着头皮检测的电信号，但是其源于非脑起源。存在与病人相关的伪影(例如，移动、出汗、ECG、眼移动)以及技术性伪影(50/60Hz伪影、线缆移动、电极膏相关)。

术语“差分放大器”指的是电生理设备的关键。它放大两个输入之间的差异(每对电极一个放大器)。

“持续时间”是从电压开始改变到其返回到基线的时间间隔。它还是对在分量生成中涉及的神经元同步活化的测量。

“电极”指的是被用于建立与电路的非金属部分的电接触的导体。EEG电极是小的金属盘，通常由不锈钢、锡、金或用氯化银涂层覆盖的银制成。它们被置于特殊位置中的头皮上。

“电极凝胶”用作电极的展性延伸，以便电极引线的移动不太可能产生伪影。凝胶最大化皮肤接触，并允许通过皮肤的低电阻记录。

术语“电极定位”(10/20系统)指的是用于经典EEG记录的头皮电极的标准化放置。这个系统的本质是鼻根-枕骨隆突(Nasion-Inion)与固定点之间的10/20范围的按百分比的距离。这些点被标记为额极(Fp)、中心(C)、颅顶(P)、枕部(O)和颞颥(T)。中线电极用下标z来标记，其代表0。对于在左半球之上的点，奇数被用作下标，而对于在右半球之上的点，偶数被用作下标。

“脑电图”或“EEG”指的是通过由脑电图仪进行而记录来自头皮的脑的电活动来追踪脑波。

“脑电图仪”指的是用于检测和记录脑波的装置(还被称为测脑仪(encephalograph))。

“癫痫样”指的是类似癫痫的那样。

“滤除”指的是从信号移除不想要的频率的过程。

“滤波器”是改变信号的频率组分的设备。

“蒙太奇”意为电极的放置。EEG可以用双极蒙太奇或有参考蒙太奇来监测。双极意为每一个通道有两个电极，因此有用于每个通道的参考电极。有参考蒙太奇意为有用于所有通道的公用参考电极。

“形态”指的是波形的形状。波的形状或EEG图案由组合来构成波形的频率、以及由它们的相位和电压关系来确定。波图案可以被描述为是：“单态的”，独特的EEG活动好像是由一个主活动组成；“多态的”，独特的EEG活动由组合来形成复合波形的多个频率组成；“正弦的”，波类似正弦波，单态的活动通常是正弦的；“瞬变的”，与背景活动明显地不同的隔离波或图案。

“棘”指的是具有尖峰以及从20到低于70毫秒的持续时间的瞬变。

术语“尖波”指的是具有尖峰以及70至200毫秒的持续时间的瞬变。

术语“神经网络算法”指的是标识具有是癫痫样异常的高概率的尖锐瞬变的算法。

“噪声”指的是修改期望信号的任何不想要的信号。它可以具有多个源。

“周期性”指的是图案或元素在时间上的分布(例如，特定的EEG活动在差不多有规律的间隔出现)。活动可以是全身性的、局灶性的或单侧性的。

EEG历元(epoch)是作为时间和频率的函数的EEG信号的振幅。

EEG报告产生关于人脑活动的极大量的信息。然而，需要快速地且容易地解译该信息，以便适当地分析人的脑部活动。

发明内容

在开发伪影减少技术时，发明人意识到以图形形式显示存在于EEG记录中的伪影量将对EEG记录的评阅者很有帮助。因此，发明人发明了用于以图形形式可视地显示存在于EEG记录中的伪影量的方法和系统。

以图形形式显示存在于EEG记录中的伪影量允许EEG记录的评阅者看到多少肌肉和眼移动存在于EEG记录中。

以图形形式显示存在于EEG记录中的伪影量以简要的形式提供对病人状态的非复杂指示。

以图形形式显示存在于EEG记录中的伪影量指示是否有伪影保持在趋势中。

本发明是存在于随时间显示的EEG记录中的各种类型的伪影量的图形表示。

存在于EEG记录中的各种类型的伪影量的图形表示的优选实施方式被示出为一系列水平线。一条水平线各自针对肌肉伪影、咀嚼伪影、垂直眼移动伪影和侧向眼移动伪影。水平线的颜色的深度指示在给定时间段内检测的该伪影的量。

本发明的一个方面是用于显示存在于EEG记录中的伪影量的方法。该方法包括从包括多个电极、放大器和处理器的机器中生成EEG记录。该方法还包括分析EEG记录以确定存在于EEG记录中的伪影量。该方法还包括在显示器上用图形显示存在于EEG记录中的伪影量。

本发明的另一个方面是用于显示存在于EEG记录中的伪影量的系统。该系统包括电极、处理器和显示器。电极生成多个EEG信号。处理器被连接到电极，并且处理器被配置为从多个EEG信号生成EEG记录。显示器被连接到处理器并显示EEG记录。处理器被配置为用图形显示存在于EEG记录中的伪影量。

存在于EEG记录中的伪影量优选地用图形显示为多条水平线。最优选地，多条水平线包括针对肌肉伪影的水平线、针对咀嚼伪影的水平线、针对垂直眼移动伪影的水平线和针对侧向眼移动伪影的水平线。

附图说明

图1是存在于EEG记录中的伪影量的图形显示。

图1A是存在于EEG记录中的伪影量的图形显示。

图1B是图1的发作概率通道的框1B的放大且隔离视图。

图1C是图1的伪影强度通道的水平线的放大且隔离视图。

图2是用于分析EEG记录的系统的框图。

图3是用于EEG的电极放置的地图。

图4是用于EEG的电极放置的详细地图。

图5是CZ参考蒙太奇的图示。

图6是包含发作、肌肉伪影和眼移动伪影的EEG记录的图示。

图7是在肌肉伪影被移除情况下的图6的EEG记录的图示。

图8是在眼移动伪影被移除情况下的图7的EEG记录的图示。

具体实施方式

图1、图1A、图1B和图1C图示存在于EEG记录中的伪影量的图形显示。伪影强度通道110被示出为一系列水平线111。示出的多条水平线111包括针对肌肉伪影的水平线112、针对咀嚼伪影的水平线113、针对垂直眼移动伪影的水平线114和针对侧向眼移动伪影的水平线115。相关领域技术人员将意识到，更多或更少的水平线可以被使用，而不脱离本发明的范围和精神。

在图1和图1A中还示出发作概率通道120、节律性(rhythmicity)谱图左半球通道130、节律性谱图右半球通道140、FFT谱图左半球通道150、FFT谱图右半球通道160、非对称相对谱图通道170、非对称绝对指标(absolute index)通道180、aEEG通道190和抑制配给量(ration)左半球和右半球通道200。

节律性谱图允许一个人在单个图像中看到发作的演变。节律性谱图测量存在于EEG记录中每个频率处的节律性的量。

发作概率趋势示出计算的发作活动随时间的概率。发作概率趋势示出被检测的发作的持续时间，并且还暗示可能降到发作检测截止以下、但仍然感兴趣评阅的记录区域。当连同其他趋势一起显示时，发作概率趋势提供EEG中量变的综合视图。

图2图示系统20，用于用户接口对EEG进行自动伪影滤除。病人15穿戴电极帽31，电极帽31包括被附接到病人的头部的多个电极35a至35c，其中接线38从电极35被连接到EEG机器部件40，EEG机器部件40包括放大器42，放大器42用于放大去往具有处理器的计算机41的信号，处理器被用于分析来自电极35的信号并创建可以在显示器50上查看的EEG记录51。对本发明利用的电极的更全面描述被详述在Wilson等人的美国专利第8112141号的“Method And Device For Quick Press On EEG Electrode”中，通过引用的方式将其整体并入于此。优化EEG以用于自动伪影滤除。然后使用神经网络算法处理EEG记录，以生成被分析用于显示的经处理的EEG记录。

对分析EEG记录的附加描述阐述在于2012年9月15日提交的Wilson等人的美国专利申请第13/620855号的“Method And System For Analyzing An EEG Recording”中，通过引用的方式将其整体并入于此。

病人具有被附接到病人的头部的多个电极，其中接线从电极被连接到用于放大去往处理器的信号的放大器，处理器被用于分析来自电极的信号并创建EEG记录。脑部在病人的头部上的不同点处产生不同的信号。如图3和图4中所示，多个电极被定位在病人的头部上。CZ位点在中心。例如，图4上的Fp1被表示在图6上的通道FP1-F3中。电极的数量确定用于EEG的通道的数量。更大数量的通道产生病人的脑部活动的更详细表示。优选地，EEG机器部件40的每个放大器42对应于附接到病人15的头部的两个电极35。来自EEG机器部件40的输出是由两个电极检测的电活动中的差异。每个电极的放置对于EEG报告是至关重要的，因为电极对相互之间越近，被EEG机器部件40记录的脑波中的差异越少。

优化EEG以用于自动伪影滤除。然后使用神经网络算法处理EEG记录，以生成被分析用于显示的经处理的EEG记录。在获取EEG记录的期间，处理引擎在逐通道的基础上执行对EEG波形的连续分析，并确定大多数类型的电极伪影的存在。很像人类读者，处理引擎通过分析EEG迹线(trace)的多个特征来检测伪影。优选的伪影检测独立于阻抗检查。在获取期间，处理监测进入的通道，从而寻找电极伪影。当伪影被检测到时，它们会自动地从发作检测过程中被移除，并且可选地从趋势显示中被移除。比起在前代产品中，这导致远远更高水平的发作检测精确度，并且更易于读取趋势。

用于从EEG移除伪影的算法典型地使用像CCA(典型相关分析)和ICA(独立分量分析)那样的盲源分离(BSS)算法，以将来自一组通道的信号变换成一组分量波或“源”。

在一个示例中，一种被称为BSS-CCA的算法被用于从EEG移除肌肉活动的影响。在被记录的蒙太奇上使用该算法将经常不产生最佳的结果。在这种情况下，一般最佳的是，使用其中参考电极是头顶电极之一(诸如国际10-20标准中的CZ)的蒙太奇。在这个算法中，在伪影移除之前，被记录的蒙太奇将首先被变换成CZ参考蒙太奇。在CZ处的信号指示其不是最好的选择的情况下，则该算法将沿着可能参考电极的列表进行，以便找到合适的参考电极。

直接在用户选择的蒙太奇上执行BSS-CCA是可能的。然而这会有两个问题。第一这要求在用户选择用于查看的每个蒙太奇上进行昂贵的伪影移除过程。第二伪影移除将根据蒙太奇的不同而变化，并将仅当用户选择使用最佳参考的有参考蒙太奇时是最佳的。因为被要求用于查看EEG的蒙太奇经常与最佳用于移除伪影的蒙太奇不相同，因此这不是好的解决方案。

图5至图8图示从EEG信号移除伪影如何允许针对读者更清晰地图示脑部的真实活动。图6是包含发作、肌肉伪影和眼移动伪影的EEG记录4000的图示。图7是在肌肉伪影被移除情况下的图6的EEG记录5000的图示。图8是在眼移动伪影被移除情况下的图7的EEG记录6000的图示。

对分析EEG记录的附加描述被阐述在于2012年11月23日提交的Wilson等人的美国专利申请第13/684469号的“User Interface For Artifact Removal In An EEG”中，通过引用的方式将其整体并入于此。对分析EEG记录的附加描述被阐述在于2012年11月25日提交的Wilson等人的美国专利申请第13/684556号的“Method And System For DetectingAnd Removing EEG Artifacts”中，通过引用的方式将其整体并入于此。一旦伪影量在EEG中被检测到，处理器(处理引擎)就被配置为生成存在于EEG记录中的伪影量的图形显示，其如图1中所示的被显示。

Claims (3)

1.一种用于显示存在于脑电图EEG记录中的伪影量的方法，所述方法包括：

从包括多个电极、放大器和处理器的机器生成EEG记录，所述EEG记录包括与所述多个电极中的两个电极对应的显示脑活动的多个通道，其中电极数量确定用于所述多个通道的通道数量，其中所述多个电极的范围为从10个至20个电极，并且所述多个电极根据10/20系统来定位；

在所述处理器处分析所述EEG记录以确定存在于所述EEG记录中的多种伪影的量，其中所述多种伪影包括肌肉伪影、咀嚼伪影、垂直眼移动伪影、和侧向眼移动伪影；以及

在显示器上显示存在于所述EEG记录中的所述多种伪影的量；

其中所述处理器被配置为检测存在于所述EEG记录中的所述多种伪影中的每种伪影；

其中所述处理器被配置为从所述EEG记录中移除所述多种伪影中的每种伪影；

其中所述处理器被配置为确定在给定时间段内存在于所述EEG记录中的所述多种伪影中的每种伪影的伪影量；

其中所述处理器被配置为将所述多种伪影中的每种伪影的量随时间显示为多条水平线，其中所述多条水平线中的一条水平线表示咀嚼伪影，其中所述多条水平线中的一条水平线表示垂直眼移动伪影，其中所述多条水平线中的一条水平线表示侧向眼移动伪影，并且其中所述多条水平线中的一条水平线表示肌肉伪影；以及

其中所述多条水平线中的水平线的颜色的深度指示在给定时间段内的所述EEG记录中被检测的具体伪影的量。

2.一种用于显示存在于脑电图EEG记录中的伪影量的方法，所述方法包括：

从包括多个电极、放大器和处理器的机器生成EEG记录，所述EEG记录包括与所述多个电极中的两个电极对应的显示脑活动的多个通道，其中电极数量确定用于所述多个通道的通道数量，其中所述多个电极的范围为从10个至20个电极，并且所述多个电极根据10/20系统来定位；

在所述处理器处分析所述EEG记录以确定存在于所述EEG记录中的多种伪影的量，其中所述多种伪影包括肌肉伪影、咀嚼伪影、垂直眼移动伪影、和侧向眼移动伪影；以及

在显示器上显示存在于所述EEG记录中的所述多种伪影的量；

其中所述处理器被配置为检测存在于所述EEG记录中的所述多种伪影中的每种伪影；

其中所述处理器被配置为从所述EEG记录中移除所述多种伪影中的每种伪影；

其中所述处理器被配置为确定在给定时间段内存在于所述EEG记录中的所述多种伪影中的每种伪影的伪影量；

其中所述处理器被配置为将所述多种伪影中的每种伪影的量随时间显示为多条水平线；以及

其中所述多条水平线包括针对肌肉伪影的水平线、针对咀嚼伪影的水平线、针对垂直眼移动伪影的水平线和针对侧向眼移动伪影的水平线。

3.一种用于显示存在于脑电图EEG记录中的伪影量的系统，所述系统包括：

多个电极，用于生成多个EEG信号；

至少一个放大器，通过多个接线被连接到所述多个电极中的每个电极，以放大所述多个EEG信号中的每个EEG信号；

处理器，被连接到其被连接到所述多个电极中的每个电极的所述至少一个放大器，以从所述多个EEG信号生成EEG记录，所述EEG记录包括与所述多个电极中的两个电极对应的显示脑活动的多个通道，其中电极数量确定用于所述多个通道的通道数量，其中所述多个电极的范围为从10个至20个电极，并且所述多个电极根据10/20系统来定位；以及

显示器，被连接到所述处理器、用于显示EEG记录；

其中所述处理器被配置为检测存在于所述EEG记录中的多种伪影中的每种伪影，其中所述多种伪影包括肌肉伪影、咀嚼伪影、垂直眼移动伪影、和侧向眼移动伪影；

其中所述处理器被配置为从所述EEG记录中移除所述多种伪影中的每种伪影；

其中所述处理器被配置为确定在给定时间段内存在于所述EEG记录中的所述多种伪影中的每种伪影的伪影量；

其中所述处理器被配置为用图形将所述多种伪影中的每种伪影的量随时间显示为多条水平线；以及

其中所述多条水平线包括针对肌肉伪影的水平线、针对咀嚼伪影的水平线、针对垂直眼移动伪影的水平线和针对侧向眼移动伪影的水平线。