CN111543949B - 一种基于脑磁图与脑电图的儿童asd诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置，包含磁屏蔽系统，头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统，脑电图与脑磁图数据采集系统，感官刺激系统，信号处理和数据分析系统；磁屏蔽系统能够有效降低背景磁场噪声，头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统通过组合嵌套方式能够对被试儿童进行全脑采集，脑电图与脑磁图数据采集系统能够将大脑电活动信息记录下来，感官刺激系统能够为被试儿童呈现视觉、听觉感官刺激，信号处理系统将生物磁噪声与背景磁噪声去除；数据分析系统能够提取信号中的病理特征进行分析。本发明具有灵敏度特异性高、信息来源多元、信号质量高、儿童易于接受等优点。本发明在儿童ASD诊断方面具有高灵敏度、特异性的优势。

Description

一种基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置

技术领域

本发明属于医学诊断系统领域，涉及一种基于脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)与脑电图(Electroencephalography，EEG)的儿童ASD诊断装置。

背景技术

自闭症谱系障碍(ASD)是一种神经发育障碍，大约每45个学龄孩子中就有一位患有ASD。其特征表现在社交沟通不足以及重复性或单调的行为模式，这类症状通常在生命周期的前几年出现并且持续整个生命周期，即便在患者成年后有所缓解，但早期非典型的发育障碍仍对患者在成年后有较大影响。

尽管为确定ASD大脑异常发育做了相当多的研究，但是关于如何导致这种临床和行为表现仍然无法给出一致的结果。大脑结构性研究发现神经解剖学方法中只有细微的群体差异，越来越多的ASD研究集中在了脑网络，尤其是基于大脑连通的脑功能差异分析，以及这些差异是如何与行为联系在一起。

脑电图/脑磁图能够以较高的时空分辨率对大脑神经活动进行直接成像，为大脑连通分析提供详细的时空以及特定节律活动的信息，但是只有少数研究使用脑电图进行分析，未有同步采集相关的报道。而脑电图与脑磁图分别对脑回皮质内的神经元电信号与脑裂/沟皮质内的神经元放电敏感，两者的结合能够覆盖更大面积的皮质内电生理活动，定位精细度更高，并且更有效地捕捉深部源放电过程。

头皮上脑磁图采集技术是使用SERF磁强计进行对被试对象进行脑磁图采集。由于传感器通道距离头皮距离较近，使得SERF磁强计能够获取比SQUID脑磁图系统更多信息，定位精确度也更高。

随着对自闭症研究的不断深入，越来越多的研究集中在自闭症儿童大脑高级认知处理过程，例如工作记忆、心理活力/灵活性、思维定势转移、社会认知以及心智理论等方面，给出了自闭症儿童诊断试验范式的设计思路与训练效果反馈指标。而自闭症产生的儿童脑网络差异无法通过传统神经成像方法来量化分析。

已有针对自闭症儿童的研究表明，相比于无神经特异表现的人来说，患有ASD的儿童在简单纯音的感知与完整句子中的音调感知方面具有优异的听觉表现。并且ASD个体在不同的视觉搜索任务中有更强的能力。针对以上差异，诊断装置需具备听觉、视觉刺激等感官刺激呈现设备。

因此，现有ASD儿童缺乏定量电生理分析诊断指标、诊断手段不客观以及目前实验要求不够人性化等问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种对ASD儿童的脑磁图与脑电图诊断装置，能够为ASD儿童提供有效科学的早期定量化筛查、诊断手段。该装置能够有效解决背景技术中的问题。

本发明的一种对ASD儿童的脑磁图与脑电图诊断装置，包括了磁屏蔽系统，头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统，脑电图与脑磁图数据采集系统，感官刺激系统，信号处理和诊断系统六部分。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置，包括：磁屏蔽系统、头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统、脑电图数据采集系统与脑磁图数据采集系统、感官刺激系统、信号处理和数据分析系统；

所述磁屏蔽系统包括：包括用于屏蔽地磁环境的被动屏蔽子系统以及用于抵消屏蔽房内静态剩磁和梯度磁场的主动屏蔽子系统；被动屏蔽子系统采用多层高磁导率坡莫合金板构筑屏蔽房墙壁，屏蔽系统的主动屏蔽子系统布置在房间内被试儿童左右两侧的赫姆霍兹线圈以及提供背景磁场信息的参考磁传感阵列组成，参考磁传感阵列与SERF磁传感器采集控制电路相连，再连接到探头与线圈控制计算机并响应背景磁场信息，计算补偿线圈电流，通过线圈驱动控制补偿线圈内电流大小；

所述头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统包括：无磁脑电采集帽、基于SERF效应磁强计的磁传感阵列、用来安放SERF效应磁强计的脑磁采集柔性单元以及SERF磁强计阵列固定底座，以及脑电采集与磁传感的阵列组合，无磁脑电采集帽使用单极电极记录刺激呈现时被试儿童的大脑神经元电活动并使用双极电极记录生物电伪影，无磁脑电采集帽部署在被试头部，与下一级脑电图数据采集系统的脑电信号无磁放大器相连；

所述脑电图与脑磁图数据采集系统，包括脑电信号与脑磁信号的同步采集装置以及采集这两种信号的计算机。脑电信号采集装置用于对记录到的脑电信号和生物电伪影进行滤波、放大、数字采样并被脑电采集计算机记录；脑磁信号同步采集装置用于对记录到的脑磁信号和背景磁场进行模拟采集；SERF磁传感器采集控制电路还能够对磁传感阵列以及磁参考阵列进行控制，而后磁传感阵列的信号通过NI采集卡将数据模数转换后输入磁传感阵列数据采集计算机；

所述感官刺激系统，包括生成感官刺激的计算机以及感官刺激的配套呈现设备；生成感官刺激的计算机作为感官刺激的激励源能够在线执行刺激范式程序，生成高保真诊断实验所需刺激；感官刺激的配套呈现设备作为刺激传递中介将刺激有效地呈现给被试者，刺激生成计算机与视觉听觉刺激设备相连，并与脑电图数据采集计算机和NI采集模块相连，能够将触发信号标记在脑电信号与脑磁信号两种模态数据上；

所述信号处理系统，包括磁参考阵列、生物电伪影双极采集阵列以及，在计算机上部署的信号前处理系统，磁参考阵列能够得到采集过程中被试儿童附近的磁场变化情况；生物电伪影双极采集阵列能够得到被试儿童采集过程中产生的心跳、眨眼产生的电活动，信号前处理系统完成脑磁图与脑电图信号的去基线、滤波、去伪影处理过程，得到处理后的脑电图与脑磁图信号加载至数据分析系统；

所述数据分析系统，包括对处理后的脑电图与脑磁图信号进行时频域分析，在传感器级和源级上的网络分析；通过分析不同频段内通道之间和源之间的相干、相关水平，构建传感器级和源级的连通网络，从而得到反映病理特性的网络参数，并对比已有的神经发育正常儿童的网络参数，得到对比的结果。

所述头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统为内外嵌套组合结构，内层为无磁脑电帽采集单元，外层嵌套脑磁图采集柔性单元并在该柔性单元上固定磁传感阵列。在实验准备时需要先给被试儿童佩戴脑电。

所述磁传感阵列使用基于SERF效应的光泵磁强计作为脑磁图采集通道，作为可穿戴的磁强计具有相比于SQUID系统更高的灵活性与信息容量，能够在被试儿童头皮进行脑磁图测量；所述无磁脑电帽采集单元包括进行头皮脑电采集的单极通道与进行生物电伪影采集的双极通道。

所述脑电图数据采集系统包括：同步采集头皮脑电和生物电伪影的数据采集平台以及与采集平台相连的生物电数据采集计算机；所述脑磁图数据采集系统包括：同步采集大脑神经活动磁场与背景磁噪声的模拟输出平台和模数转换采集卡，以及与采集卡连接的磁传感数据采集计算机；脑电信号和生物电伪影通过采集平台放大、滤波后由生物电数据采集计算机在线记录；大脑神经活动磁场和背景磁噪声通过模拟输出平台放大、滤波后输出到模数转换采集卡，转换后的数字信号在磁传感数据采集计算机中在线记录。

所述感官刺激系统中，听觉刺激通过塑料细管将刺激生成计算机的声音传入到被试儿童的外耳道中，视觉刺激则是通过磁屏蔽房外放置的视觉刺激实验投影仪将视觉画面投影在房内被试前的无磁屏幕中。

所述信号处理系统中，信号处理前系统执行信号处理算法的过程为：通过自适应阈值算法得到生理伪影的时间窗，而后对窗内信号进行主成分分析，从得到的主成分中，选择伪影相关的成分在实际测得的脑电图和脑磁图阵列信号中将这种成分去除，最后得到去除生理伪影主成分的脑电信号与脑磁信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采集设备的人性化：头戴式磁传感阵列设计适合不同头围的学龄前儿童佩戴，满足普适性要求，隔热性和舒适性好。底座排布满足不同个体、不同任务下特定脑区位置覆盖，热熔胶固定底座，稳定性好。无磁脑电采集帽采用无磁电极，满足脑磁图、脑电图同步采集要求。柔性阵列相比临床用脑磁图佩戴更加贴合舒适。将裸露的脑电极覆盖在柔性头套之下，外观无视觉刺激不适，不会对儿童情绪产生诱导反应。

(2)信号内容多元：脑磁图与脑电图的生理来源属于同一类型，将这两种类型的信号组合起来的优点在于将源自不同敏感方向的神经元生理活动有效地记录。相比于单一来源记录来说更能增强对自闭症患者待研究脑区感兴趣区域神经源的探测、定位、区分的效果，这将有利于脑区内、脑区间甚至半球间的传感器水平和源水平上的连通性分析。

(3)信道信息容量高：头皮上脑磁图测量技术使用距离头皮更近，更轻量化的SERF效应光泵磁强计。根据信息容量理论计算，单通道SERF效应光泵磁强计所携带的信息量是单通道SQUID的5倍。相对于成年人的脑磁图采集来说，这项技术十分有利于儿童自闭症患者的极微弱脑磁场信号的成功采集。

(4)科学有效的刺激范式：取代了传统的量表，这种定量化的分析设计能够从听觉、视觉等感官刺激多方面给出更加客观有效的分析，具有极高的灵敏度和特异性。并且能够对ASD儿童进行早期筛查，判断患病程度，可以尽早进行干预。

附图说明

图1为：诊断系统各部分关系图；

图2为：诊断系统各组成部分图；

图3为：头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统的组合方式。

图中：1为磁屏蔽房，2为SERF磁参考阵列，3为阵列式无磁脑电采集帽，4为SERF磁传感阵列，5为SERF磁传感器采集控制电路，6为NI采集系统，7为线圈控制计算机，8为磁传感阵列数据采集计算机，9为信号预处理与诊断计算机，10为刺激生成计算机，11为脑电图数据采集计算机，12为线圈驱动，13为脑电信号无磁放大器，14为听觉刺激的真空塑料管，15为无磁屏幕，16为视觉刺激实验投影仪，17为亥姆霍兹补偿线圈，18为无磁电极，19为脑电信号传输线，20为柔性单元，21为SERF磁强计阵列固定底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明一种脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置包括磁屏蔽系统、头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统、脑电图与脑磁图数据采集系统、感官刺激系统、信号处理和数据分析系统。磁屏蔽系统、头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统以及脑电图与脑磁图数据采集系统需要在被试儿童接受刺激实验之前做好准备工作。SERF磁传感阵列4的灵敏度满足脑磁测量要求；头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统在实验开始之前要规范佩戴在被试儿童头部；在实验开始之前，空采儿童脑电和脑磁数据，确保记录的有效性。在实验进行时，感官刺激系统为被试儿童呈现听觉、视觉刺激。将实验过程中采集到的脑磁图与脑电图数据在信号预处理与诊断计算机9中进行滤波、去除坏道等处理后在数据分析系统中进行儿童病理分析与诊断。

如图2所示，本发明框架图。磁屏蔽房外放置数据采集系统的磁性设备、刺激生成计算机10、信号预处理与诊断计算机9有源且外显磁性的设备。磁屏蔽房1内安装用于抵消剩磁的亥姆霍兹补偿线圈17，放置用于信号预处理以及测量剩磁的SERF磁参考阵列2，用于数据采集的阵列式无磁脑电采集帽3与其配套的脑电信号无磁放大器13以及SERF磁传感阵列4，以及用于呈现视觉刺激的无磁屏幕15与呈现听觉刺激的真空塑料管14。

如图2所示，为了满足SERF磁强计对于脑磁探测的背景磁场需求，在诊断数据采集之前，需要使用SERF磁参考阵列2对房间内剩磁情况进行评估，而后向补偿亥姆霍兹线圈17中通入电流实现主动剩磁补偿。探头与线圈控制计算机7部署PID算法跟踪当前房内剩磁大小并计算线圈电流参数。亥姆霍兹线圈17产生补偿磁场抵消房间内剩余静态磁场与梯度磁场。

如图3所示，左图为头皮脑电图采集所需的阵列式无磁脑电采集帽3。为了满足同步采集需求与屏蔽房内的剩磁需求，需要脑电采集单元具备以下特征：扁平无突出、电极无磁性和有源无磁放大器。右图为覆盖在无磁脑电采集帽上的磁传感阵列，该阵列的柔性单元20能够有效地遮蔽裸露在外的无磁电极18。脑电帽选用通道位置可调的阵列式无磁脑电采集帽3，能够在采集头皮脑电图信号的同时不会对脑磁图的信号质量带来影响。电极位置密布在额叶以及颞顶叶区域。

脑电采集系统支持最大64单极导联同步采集以及不少于16通道的双极脑电图的采集，采样率不低于1000Hz。脑电采集系统将采集到的脑电信号传输至脑电图数据采集上位机。为了满足脑磁图的定位精度需求，需要SERF磁传感阵列4尽量能够全覆盖待研究脑区，同时要求传感器通道之间的间距不低于2cm，以减小通道之间采集生理信号串扰。布置在柔性单元20上的SERF磁传感阵列4与SERF磁传感器采集控制电路5相连，实现磁传感阵列数据采集以及传感器内部补偿线圈电流的控制。为了能够高质量记录覆盖α节律到γ节律波段的信息，NI数据采样率不得低于400Hz。刺激生成计算机10产生感官刺激并将触发TTL信号分两路传送至脑电图数据采集计算机11和磁传感阵列数据采集计算机8，以满足事件相关电位实验所需满足的时延精度要求。

图2所示柔性单元上安放SERF传感器探头的固定底座。这种固定底座要求强度高，质量轻，与头套接触面积小，与头套胶粘牢靠，在测量时能够有效夹持传感器探头无滑移。SERF探头固定底座采用耐高温树脂材料3D打印制成。方孔采用贯穿式设计，使得探头底部能够直达头皮，以缩短探头到头皮的距离。底座用热熔胶固定在柔性头套上的指定位置。根据实验待研究的脑区位置，参考低温SQUID脑磁图装置的传感器通道位置对底座位置进行选取。

如图2所示，视觉刺激生成计算机10与视觉刺激实验投影仪16相连，要求投影仪能够尽可能呈现高刷新速率与分辨率的图像。光线通过磁屏蔽房预留的开口能够投影到位于被试正前方的无磁屏幕15上。在被试儿童进行视觉刺激实验之前，需要先对环境照明情况进行评估，保证每次实验的一致性要求。在被试儿童进行听觉刺激实验之前，需要对刺激生成计算机10产生的声音进行声强级量化，并对不同儿童的左右耳听觉阈值进行检测记录并校准听力刺激呈现设备，排除由于听力能力不同带来的干扰影响。

如图1所示，在采集实验过程中，摆放在被试头部前后的(四支)磁参考阵列2记录被试儿童附近背景磁场的变化。这时SERF磁参考阵列2发挥合成梯度计的作用，在诊断实验结束后的数据处理中作为预测量对大脑数据进行线性回归，将背景磁场噪声成分从脑磁图数据中滤除。

数据处理系统利用诊断过程中SERF磁参考阵列2中记录的环境磁场信息以及脑电图双极通道记录的眼电、心电，将由眨眼、心跳等引入的磁场伪影成分消除。采集实验结束后，数据处理在信号预处理与诊断计算机9上进行。

诊断系统提取诊断试次数据中感兴趣的数据段，而后进行传感器级与源级上的分析。源级连通分析需要在实验开始之前对儿童进行大脑结构象的核磁共振采集，后续通过分割软件将大脑三维重建出，并划分相应脑区。分析传感器不同通道之间以及溯源定位后感兴趣的大脑区域之间神经活动信号的时频指标。通过先进的脑网络分析方法计算显著表征ASD特性的功能连通与效应连通指标，构建被试儿童的有向拓扑结构网络。通过与常模进行对比，得到客观有效的数据分析结果。

Claims (4)

1.一种基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置，其特征在于，包括：磁屏蔽系统、头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统、脑电图数据采集系统与脑磁图数据采集系统、感官刺激系统、信号处理和数据分析系统；

所述磁屏蔽系统包括：包括用于屏蔽地磁环境的被动屏蔽子系统以及用于抵消屏蔽房内静态剩磁和梯度磁场的主动屏蔽子系统；被动屏蔽子系统采用多层高磁导率坡莫合金板构筑屏蔽房墙壁，屏蔽系统的主动屏蔽子系统布置在房间内被试儿童左右两侧的赫姆霍兹线圈，与线圈相连的线圈驱动以及提供背景磁场信息的参考磁传感阵列组成，参考磁传感阵列与SERF磁传感器采集控制电路相连，再连接到探头与线圈控制计算机并响应背景磁场信息，计算补偿线圈电流，通过线圈驱动控制补偿线圈内电流大小；

所述头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统包括：无磁脑电采集帽、基于SERF效应磁强计的磁传感阵列、用来安放SERF效应磁强计的脑磁采集柔性单元以及SERF磁强计阵列固定底座，以及脑电采集与磁传感的阵列组合，无磁脑电采集帽使用单极电极记录刺激呈现时被试儿童的大脑神经元电活动并使用双极电极记录生物电伪影，无磁脑电采集帽部署在被试头部，与下一级脑电图数据采集系统的脑电信号无磁放大器相连；

所述脑电图与脑磁图数据采集系统，包括脑电信号与脑磁信号的同步采集装置以及采集这两种信号的计算机；脑电信号采集装置用于对记录到的脑电信号和生物电伪影进行滤波、放大、数字采样并被脑电采集计算机记录；脑磁信号同步采集装置用于对记录到的脑磁信号和背景磁场进行模拟采集；SERF磁传感器采集控制电路还能够对磁传感阵列以及磁参考阵列进行控制，而后磁传感阵列的信号通过NI采集卡将数据模数转换后输入磁传感阵列数据采集计算机；

所述感官刺激系统，包括生成感官刺激的计算机以及感官刺激的配套呈现设备；生成感官刺激的计算机作为感官刺激的激励源能够在线执行刺激范式程序，生成高保真诊断实验所需刺激；感官刺激的配套呈现设备作为刺激传递中介将刺激有效地呈现给被试者，刺激生成计算机与视觉听觉刺激设备相连，并与脑电图数据采集计算机和NI采集模块相连，能够将触发信号标记在脑电信号与脑磁信号两种模态数据上；

所述信号处理系统，包括磁参考阵列、生物电伪影双极采集阵列以及，在计算机上部署的信号前处理系统，磁参考阵列能够得到采集过程中被试儿童附近的磁场变化情况；生物电伪影双极采集阵列能够得到被试儿童采集过程中产生的心跳、眨眼产生的电活动，信号前处理系统完成脑磁图与脑电图信号的去基线、滤波、去伪影处理过程，得到处理后的脑电图与脑磁图信号加载至数据分析系统；

所述数据分析系统，包括对处理后的脑电图与脑磁图信号进行时频域分析，在传感器级和源级上的网络分析；通过分析不同频段内通道之间和源之间的相干、相关水平，构建传感器级和源级的连通网络，从而得到反映病理特性的网络参数，并对比已有的神经发育正常儿童的网络参数，得到对比的结果；

所述头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统为内外嵌套组合结构，内层为无磁脑电帽采集单元，外层嵌套脑磁图采集柔性单元并在该柔性单元上固定磁传感阵列，在实验准备时需要先给被试儿童佩戴头戴式脑电图与脑磁图阵列式传感器系统；所述磁传感阵列使用基于SERF效应的光泵磁强计作为脑磁图采集通道，作为可穿戴的磁强计具有相比于SQUID系统更高的灵活性与信息容量，能够在被试儿童头皮进行脑磁图测量；所述无磁脑电帽采集单元包括进行头皮脑电采集的单极通道与进行生物电伪影采集的双极通道。

2.根据权利要求1所述的基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置，其特征在于：所述脑电图数据采集系统包括：同步采集头皮脑电和生物电伪影的数据采集平台以及与采集平台相连的生物电数据采集计算机；所述脑磁图数据采集系统包括：同步采集大脑神经活动磁场与背景磁噪声的模拟输出平台和模数转换采集卡，以及与采集卡连接的磁传感数据采集计算机；脑电信号和生物电伪影通过采集平台放大、滤波后由生物电数据采集计算机在线记录；大脑神经活动磁场和背景磁噪声通过模拟输出平台放大、滤波后输出到模数转换采集卡，转换后的数字信号在磁传感数据采集计算机中在线记录。

3.根据权利要求1中的基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置，其特征在于：所述感官刺激系统中，听觉刺激通过塑料细管将刺激生成计算机的声音传入到被试儿童的外耳道中，视觉刺激则是通过磁屏蔽房外放置的视觉刺激实验投影仪将视觉画面投影在房内被试前的无磁屏幕中。

4.根据权利要求1中的基于脑磁图与脑电图的儿童ASD诊断装置，其特征在于：所述信号处理系统中，信号处理前系统执行信号处理算法的过程为：通过自适应阈值算法得到生理伪影的时间窗，而后对窗内信号进行主成分分析，从得到的主成分中，选择伪影相关的成分在实际测得的脑电图和脑磁图阵列信号中将这种成分去除，最后得到去除生理伪影主成分的脑电信号与脑磁信号。

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