CN111543986A - 一种无需硬件连接的脑电事件同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需硬件连接的脑电事件同步方法。本发明利用大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位具有个体内与个体间的稳定性，通过计算刺激事件时间序列与脑电时间序列互相关函数得到极大值，从而确定视觉诱发电位的时间序列在整段脑电时间序列中的起始位置，然后通过固定的视觉诱发电位的时间延迟得到刺激事件序列的首次刺激事件起始时刻，从而确定后续所有脑电时间序列的刺激事件起始时刻，从而实现脑电记录与刺激事件的同步。本发明利用脑电数据自身的特性作为时间标记工具，减小信号传输造成的不利影响。本发明不需连接额外的硬件装置，适用于无线脑电和移动条件下的诱发脑电测量；使用不受环境和设备型号限制，节省设备成本，避免硬件误差。

Description

一种无需硬件连接的脑电事件同步方法

技术领域

本发明涉及脑电事件同步技术，具体涉及一种无需硬件连接的脑电事件同步方法。

背景技术

大脑作为人体的神经中枢，负责了个体语言、运动、视觉、感知等重要功能，不同外界信息刺激会在一定时间内诱发不同功能区域或功能网络的脑电活动，分析、利用这种刺激事件与脑电活动之间的特异性关系，成为了神经科学研究的关键内容。在临床诊疗、脑科学研究以及脑机接口等领域，对脑电活动中诱发电位进行测量并精确定时是后续研究的基础，但是单独的诱发电位非常微弱，不易测量，所以通常需要将视听等刺激事件的起始时刻与脑电数据同步记录，再以刺激事件起始时刻为标志对多次试验数据叠加平均，才能得到较强的平均诱发电位。因此，在进行脑电信号中诱发电位的测量分析中，刺激事件同步至关重要。

实现脑电信号中诱发电位的刺激事件同步，最核心的逻辑是：每次进行视听刺激时，同时在脑电数据中增加事件标记，通过这些标记完成事件同步。为了达到精确同步，这些事件标记必须具有稳定、精确、易于提取等特征。

现有的脑电事件同步有两种方式，一种是外接刺激事件标记装置，即在进行诱发脑电实验时，脑电记录器除了接收所采集的脑电数据外同时接收刺激事件标记装置发送的事件标记，并在时间维度上将二者信息融合，发送至数据处理模块；另一种是利用被试自身生理信号，如肌电、眼电等，也就是在进行脑电记录的同时记录其它与刺激事件有明确相关性的生理信号，然后将二者在时间维度融合，最终利用这些生理信号达到脑电事件同步。

外接刺激事件标记装置是一种基于硬件连接的脑电事件同步，外接刺激事件标记装置通常与电脑并/串口或者传感器连接，将电脑刺激事件程序发送的指令或者传感器采集到的刺激事件信号(包括声、光、动作等)转换为数字信号，通过特定通讯协议发送至脑电采集装置，与当前采集的脑电数据融合，完成刺激事件在脑电信息上的标记，从而实现每次实验的脑电事件同步。这种方法属于传统经典的同步手段，具有较好的稳定性，而且依靠先进的硬件技术和适当的通讯协议可以达到毫秒级的同步精度，目前在科研、临床及工程中应用众多。比如，胥红来等人已申请的专利“一种脑电装置的精确无线同步方法”(CN106332268(A))便是此类技术。

如图1所示：设计黑白翻转棋盘格(3)(checkerboard pattern)刺激程序，包括on/off两种模式，分别对应翻转/静止状态，每秒翻转2次，持续15秒；被试位于显示器(1)前，注视显示器中央位置，采集电极(2)按照国际10-20标准放置准则放置；通过显示器(1)向被试显示黑白翻转棋盘格刺激，外接的刺激事件同步标记装置(7)同步发送刺激事件起始时刻标记；通过被试大脑枕区位置的头皮电极(4)，采集被试头皮脑电；脑电放大器(5)同时记录刺激事件起始标记信号与采集的脑电数据，最终传送到数据处理计算机(6)中；数据处理计算机中根据已有的事件标记对脑电数据中的诱发脑电进行处理、分析。

这种外接刺激事件标记装置的同步方式，整套脑电事件实验系统需要增加此硬件装置，增加了系统的复杂度和成本；由于通讯协议及数据接口限制，特定厂家型号的装置往往具有特定适用对象，不能做到一对多的完全兼容；使用同步器的标记信号作为脑电事件同步依据，需假设每次同步器的反应时间一致，而且脑电采集器采集到脑电数据的时间与真实大脑响应之间的延迟时间稳定，可是这种假设往往是很难实现的。

利用被试自身生理信号是一种利用被试自身生理信号进行刺激事件同步的方法。在某些脑电的诱发电位实验中，被试不但会产生脑电响应，还会产生相应的肌肉变化(比如含有运动任务)，同时将被试的肌电(眼动)信号与脑电信号传送至数据处理模块，通过阈值设定提取有效的肌电(眼动)响应，如果确定了肌电(眼动)时间，就可以将这个时刻作为刺激事件的起始时刻，从而达到刺激事件标记，实现每次实验的刺激事件同步。这种方法直接利用被试内部生理信号，不依赖于外部设备，避免了外部设备的反应延迟和硬件适用限制等问题，比如，李诸洋等人的文章中介绍眼动与脑电同步记录技术的部分应用(李诸洋，刘璐.眼动与脑电同步记录技术在心理语言学研究中的新进展[J].心理科学,2017,40(4):850-855)。

这种利用被试自身生理信号的同步方式需被试同时产生神经和肌肉活动，适用的实验范式有明显局限性；肌电(眼动)需要额外导联单独记录；虽然也是被试的内部生理信号，可以规避外部硬件反应延迟问题，但其采集方式、部位、提取方法等易对结果造成影响，而且同样无法规避大脑每次刺激响应的不稳定性问题。

发明内容

针对目前基于外接硬件设备的脑电事件同步方法，需连接硬件设备、组成复杂、成本高等缺陷，以及基于肌电(眼动)等生理信号的脑电事件同步方法，适用实验范式局限、需额外记录等缺陷，本发明提出了一种无需硬件连接的脑电事件同步方法。

本发明的无需硬件连接的脑电事件同步方法，包括以下步骤：

1)得到原始的刺激事件的时间序列X(t)和原始的脑电信号y(t)，t为时间；

2)对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)：

3)对脑电的时间序列Y(t)进行降采样处理，得到低采样率的脑电时间序列Y(0)，......，Y(Tf)，其中，T为采样时间，f为采样频率；

4)按照采样时间和采样频率，对原始的刺激事件的时间序列X(t)进行离散赋值，得到离散化的刺激事件时间序列，X(0)，...，X(T′f)，T′为刺激的总时间，T′＜T，并且离散化的刺激事件时间序列的时间周期与原始的刺激事件的时间周期相同；

5)对已知的离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列计算互相关函数R(τ)，数字信号处理领域的互相关函数计算公式为：

其中，τ为时间延迟，n＝0，...，N-1，N为离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列的总长度，通过计算R(τ)能够得到X(n)与Y(n+τ)在不同的时间延迟下的相似性，如果原变量超出原序列的长度进行补零处理；

6)分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，并且同时具有个体内与个体间的稳定性，因此视觉诱发电位的时间序列与刺激事件的时间序列具有相同的时间周期，并且互相关函数的极大值能够体现视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的相同的时间周期性，也就是视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的最大相关程度，因此，只要在互相关函数的结果中确定极大值的位置，即找到与刺激事件时间序列具有最大相关性的响应序列，也就是视觉诱发电位的时间序列，从而就确定了刺激事件时间序列中的首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′_erp；

7)每个个体的大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件的起始时刻的延迟时间Δt比较稳定，所以在整段脑电数据中确定视觉诱发电位的位置后，即能够反向推算出刺激事件起始的相对位置，设定视觉诱发电位的延迟时间Δt‘为固定时间，则根据刺激事件时间序列中首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′_erp，确定首次刺激事件的起始时刻t′_onset如下所示：

t′_onset＝t′_erp-Δt‘；

8)由于既定的刺激事件时间序列的时间间隔已知，并且脑电时间序列中视觉诱发电位的时间间隔与既定刺激事件时间序列的时间间隔一致，根据既定的刺激事件时间序列的时间间隔，结合首次刺激事件的起始时刻，确定后续所有视觉诱发电位的刺激事件起始时刻，从而实现视觉诱发电位的脑电事件同步。

其中，在步骤1)中，对大脑的刺激事件的每个周期中包含黑白翻转模式，原始的刺激事件的周期已知，相邻的原始的刺激事件的时间间隔依次为ΔT₁，ΔT₂......，ΔT_M-1，M为原始的刺激事件的周期个数。

在步骤2)中，对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)，包括以下步骤：

i.采用带通滤波器对原始的脑电信号y(t)进行滤波，得到滤波后的原始的脑电信号；

ii.以预采集的信号为基准，对后续的滤波后的原始的脑电信号做基线校正处理，防止基线漂移，得到去基线漂移的原始的脑电信号；

iii.对去基线漂移的原始的脑电信号进行去噪声处理，提高信噪比，得到包含视觉诱发电位信息的脑电时间序列Y(t)。

在步骤4)中，由于原始的刺激事件的周期已知，则离散化的刺激事件时间序列的周期已知，相邻的刺激事件的时间间隔依次为ΔT₁，ΔT₂......，ΔT_M-1。

在步骤6)中，大脑的事件相关电位(event-related potential，ERP)是大脑对刺激认知过程中产生的电位变化，与刺激事件有很强的相关性，主要分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，同时具有个体内与个体间的稳定性，用数学公式可表示如下：

t_erp＝t_onset+Δt

其中，t_erp表示视觉诱发电位产生时刻，t_onset表示刺激事件起始时刻，Δt表示大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件的起始时刻的延迟时间。大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位具有个体内与个体间的稳定性，视觉诱发电位的响应是脑电波形在刺激后100～130ms的正峰。

在步骤7)中，设定大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位的延迟时间Δt‘的固定时间为100～130ms。

在步骤8)中，脑电时间序列中的视觉诱发电位时间间隔与离散化的刺激事件时间序列一致，依次为ΔT₁，ΔT₂......，ΔT_M-1，结合首次刺激事件的起始时刻t′_onset，由此确定后续所有视觉诱发电位的刺激事件起始时刻。

本发明的优点：

本发明利用大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位具有个体内与个体间的稳定性，通过计算刺激事件时间序列与脑电时间序列互相关函数得到极大值，从而确定视觉诱发电位的时间序列在整段脑电时间序列中的起始位置，然后通过固定的视觉诱发电位的延迟时间得到刺激事件序列的首次刺激事件起始时刻，从而确定后续所有视觉诱发电位的刺激事件起始时刻，从而实现脑电记录与刺激事件的同步。本发明利用脑电数据自身的特性作为时间标记工具，减小信号传输造成的不利影响。本发明不需连接额外的硬件装置，适用于无线脑电和移动条件下的诱发脑电测量；使用不受环境和设备型号限制，节省设备成本，避免硬件误差。

附图说明

图1为现有技术中外接刺激事件标记装置的同步方式的示意图；

图2为大脑对外部事件认知过程中产生的视觉诱发电位的示意图；

图3为视觉诱发电位与外部事件有很强的相关性的示意图；

图4为本发明的无需硬件连接的脑电事件同步方法的数据采集过程的示意图；

图5为本发明的无需硬件连接的脑电事件同步方法的数据序列的示意图，其中，(a)为刺激事件的时间序列，(b)为脑电的时间序列；

图6为本发明的无需硬件连接的脑电事件同步方法的数据处理示意图，其中，(a)为互相关函数R(τ)的时间序列，(b)为具有脑电事件同步标记(虚线)的脑电时间序列；

图7为本发明的无需硬件连接的脑电事件同步方法的一个实施例与现有技术中外接刺激事件标记装置的同步方式的对比图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

大脑的事件相关电位(event-related potential，ERP)是大脑对外部事件认知过程中产生的电位变化，如图2所示，与外部事件有很强的相关性，如图3所示，比如，CREEL等人文章(Creel D J.Visually Evoked Potentials[J].Handbook of ClinicalNeurology,2019:501-522.)中提出，主要分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，同时具有个体内与个体间的稳定性。

本发明在时间尺度用数学公式表示如下：

t_erp＝t_onset+Δt

t_erp表示视觉诱发电位的产生时刻，t_onset表示刺激事件的起始时刻，Δt表示大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件的起始时刻的延迟时间。大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位响应为脑电波形在刺激后100～130ms的正峰。

本实施例中，如图4所示，使用显示器1呈现计算机6中的黑白翻转棋盘格3(checkerboard pattern)程序，包括on/off(开/关)两种模式，分别对应翻转/静止状态，每秒翻转2次，持续15秒；被试位于显示器1前，注视显示器中央位置，采集电极2按照国际10-20标准放置准则放置；通过显示器1向被试显示黑白翻转棋盘图案，大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著；通过被试大脑枕区位置的头皮电极4，采集被试头皮脑电，并将该信号通过脑电放大器5，无线传回至数据处理计算机6中进行数据处理，最终得到完成脑电事件同步的脑电信号。

本实施例的本发明的无需硬件连接的脑电事件同步方法，包括以下步骤：

1)得到如图5(a)所示的刺激事件的时间序列X(t)和原始的脑电信号y(t)，t为时间；

2)对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)：

i.采用带通滤波器对原始的脑电信号y(t)进行滤波，得到滤波后的原始的脑电信号；

ii.以刺激程序开始前预采集的100ms信号为基准，对后续的滤波后的原始的脑电信号做基线校正处理，防止基线漂移，得到去基线漂移的原始的脑电信号；

iii.对去基线漂移的原始的脑电信号进行去噪声处理，提高信噪比，得到包含视觉诱发电位信息的脑电的时间序列Y(t)如图5(b)所示；

3)对脑电的时间序列Y(t)进行降采样处理，得到降采样后的脑电时间序列Y(0)，……，Y(Tf)，其中，采样时间T为18秒，采样频率f为500Hz；

4)按照采样时间和采样频率，对刺激事件的时间序列X(t)进行离散赋值，为了得到每次图案的翻转过程和静止状态，如果棋盘格颜色在翻转过程中，就将X(t)对应的元素值设置为1；如果棋盘格颜色没有翻转，即处于静止状态，就将X(t)对应元素设置为0，从而得到包含1和0的离散化的刺激事件时间序列X(0)，...，X(T′f)，为2值时间序列，T′＝15s，并且离散化的刺激事件时间序列的时间周期与原始的刺激事件的时间周期相同；

5)对于已知的离散化的刺激事件时间序列和降采样后的脑电时间序列计算互相关函数R(τ)，数字信号处理领域的互相关函数计算公式为：

其中，τ为时间延迟，n＝0，...，N-1，N为离散化的刺激事件时间序列和降采样后的脑电时间序列的总长度，通过计算R(τ)能够得到X(n)与Y(n+τ)在不同的时间延迟下的相似性；对于X(n)和Y(n+τ)中的变n和n+τ超出原序列的长度进行补零处理；

6)分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，并且同时具有个体内与个体间的稳定性，因此视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列具有相同的时间周期，并且互相关函数的极大值能够体现视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的相同的时间周期性，也就是视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的最大相关程度，因此，只要在互相关结果中确定极大值R_max的位置，即找到与刺激事件时间序列具有最大相关性的响应序列，也就是视觉诱发电位的时间序列，从而就确定了刺激事件时间序列中的首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′_erp，如图6(a)所示；

7)每个个体的大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件起始时刻的延迟时间Δt比较稳定，所以在整段脑电数据中确定视觉诱发电位的位置后，即能够反向推算出刺激事件起始的相对位置，设定视觉诱发电位的延迟时间Δt‘为固定时间120ms，则根据首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′_erp，确定其刺激起始时刻t′_onset如下所示：

t′_onset＝t′_erp-Δt‘

8)由于既定刺激事件时间序列的时间间隔已知，并且脑电时间序列中视觉诱发电位的时间间隔与既定刺激事件时间序列的时间间隔一致，根据既定刺激事件时间序列的时间间隔，结合基准的刺激事件起始时刻，确定后续所有视觉诱发电位的刺激事件起始时刻，从而实现多次视觉诱发电位的脑电事件同步，如图6(b)所示。

本实施例中，共重复采集了9组脑电数据，每组数据中均包含30次黑白翻转模式刺激产生的视觉诱发电位响应，可以看到，本发明检测到的互相关峰值点(首次的视觉诱发电位)距离刺激事件的起始时刻的延迟时间Δt基本在100ms～130ms，与CREEL等人文章(Creel D J.Visually Evoked Potentials[J].Handbook of Clinical Neurology，2019：501-522.)结论相似，如下表1所示；通过本发明的方法对其中1组脑电数据中的所有视觉诱发电位响应进行刺激事件同步标记，结果与通过外接刺激事件标记装置的事件同步结果基本一致，如图7所示。从而，充分证明了本发明的方法的可实施性和可靠性。表1.互相关峰值点(首次诱发电位)与首次刺激事件的时间差(Δt)：

单位：毫秒(ms)

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种无需硬件连接的脑电事件同步方法，其特征在于，所述脑电事件同步方法包括以下步骤：

1)得到原始的刺激事件的时间序列X(t)和原始的脑电信号y(t)，t为时间；

2)对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)；

3)对脑电的时间序列Y(t)进行降采样处理，得到低采样率的脑电时间序列Y(0)，……，Y(Tf)，其中，T为采样时间，f为采样频率；

4)按照采样时间和采样频率，对原始的刺激事件的时间序列X(t)进行离散赋值，得到离散化的刺激事件时间序列，X(0)，...，X(T′f)，T′为刺激的总时间，T′＜T，并且离散化的刺激事件时间序列的时间周期与原始的刺激事件的时间周期相同；

5)对已知的离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列计算互相关函数R(τ)，数字信号处理领域的互相关函数计算公式为：

其中，τ为时间延迟，n＝0，...，N-1，N为离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列的总长度，通过计算R(τ)能够得到X(n)与Y(n+τ)在不同的时间延迟下的相似性，如果原变量超出原序列的长度进行补零处理；

6)分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，并且同时具有个体内与个体间的稳定性，因此视觉诱发电位的时间序列与刺激事件的时间序列具有相同的时间周期，并且互相关函数的极大值能够体现视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的相同的时间周期性，也就是视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的最大相关程度，因此，只要在互相关函数的结果中确定极大值的位置，即找到与刺激事件时间序列具有最大相关性的响应序列，也就是视觉诱发电位的时间序列，从而就确定了刺激事件时间序列中的首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′_erp；

7)每个个体的大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件的起始时刻的延迟时间Δt比较稳定，所以在整段脑电数据中确定视觉诱发电位的位置后，即能够反向推算出刺激事件起始的相对位置，设定视觉诱发电位的延迟时间Δt‘为固定时间，则根据刺激事件时间序列中首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′_erp，确定首次刺激事件的起始时刻t′_onset如下所示：

t′_onset＝t′_erp-Δt‘；

8)由于既定的刺激事件时间序列的时间间隔已知，并且脑电时间序列中视觉诱发电位的时间间隔与既定刺激事件时间序列的时间间隔一致，根据既定的刺激事件时间序列的时间间隔，结合首次刺激事件的起始时刻，确定后续所有视觉诱发电位的刺激事件起始时刻，从而实现视觉诱发电位的脑电事件同步。

2.如权利要求1所述的脑电事件同步方法，其特征在于，在步骤1)中，对大脑的刺激事件的每个周期中包含黑白翻转模式，原始的刺激事件的周期已知，相邻的原始的刺激事件的时间间隔依次为ΔT₁，ΔT2₂……，ΔT_M-1，M为原始的刺激事件的周期个数。

3.如权利要求1所述的脑电事件同步方法，其特征在于，在步骤2)中，对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)，包括以下步骤：

i.采用带通滤波器对原始的脑电信号y(t)进行滤波，得到滤波后的原始的脑电信号；

ii.以预采集的信号为基准，对后续的滤波后的原始的脑电信号做基线校正处理，防止基线漂移，得到去基线漂移的原始的脑电信号；

iii.对去基线漂移的原始的脑电信号进行去噪声处理，提高信噪比，得到包含视觉诱发电位信息的脑电时间序列Y(t)。

4.如权利要求1所述的脑电事件同步方法，其特征在于，在步骤4)中，由于原始的刺激事件的周期已知，则离散化的刺激事件时间序列的周期已知，相邻的刺激事件的时间间隔依次为ΔT₁，ΔT₂……，ΔT_M-1。

5.如权利要求1所述的脑电事件同步方法，其特征在于，在步骤7)中，设定大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位的延迟时间Δt‘的固定时间为100～130ms。

6.如权利要求1所述的脑电事件同步方法，其特征在于，在步骤8)中，脑电时间序列中的视觉诱发电位时间间隔与离散化的刺激事件时间序列一致，依次为ΔT₁，ΔT₂……，ΔT_M-1，结合首次刺激事件的起始时刻t′_onset，由此确定后续所有视觉诱发电位的刺激事件起始时刻。

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