CN111714120A - 能进行视觉定位能力评估的脑机接口系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能进行视觉定位能力评估的脑机接口系统及其应用，所述脑机接口系统包括脑机接口，该脑机接口通过分析不同健康测试者视觉定位EEG信号之间的相似度，得到视觉定位EEG信号的相似阈值，然后根据该相似阈值评估意识障碍患者的视觉定位能力。本发明脑机接口系统直接避开了传统方法对意识障碍患者行为反应和临床医生主观理解的依赖性，直接通过检测意识障碍患者对外界刺激的内源性脑反应，获知其状态。试验结果表明，本发明可在没有行为表达的情况下，通过检测患者EEG信号，准确评估其状态。事实证明，本发明可有效协助临床医生确诊，减少误诊病例。
Description
技术领域
本发明涉及一种能对意识障碍患者的视觉定位能力进行评估的脑机接口(BCI)系统及其应用。
背景技术
严重脑损伤患者可能患有意识障碍(DOC)，包括昏迷(coma)、植物状态(VS)和最小意识状态(MCS)。准确评估严重脑损伤患者的状态对于监测治疗和康复过程的效果是很重要的。评估严重脑损伤患者提出的行为量表包括修订的昏迷恢复量表(CRS-R)、格拉斯哥昏迷量表、全面无反应性评分、韦塞克斯头部损伤矩阵及感觉模态评估和康复技术。它们之中，CRS-R评估更为细致，其在区分MCS和VS患者方面表现出显著的敏感性。CRS-R包含6个子量表，涉及听觉、视觉、运动、言语反映、交流和唤醒度。每个子量表包括几个项目，对于识别意识恢复的细微行为至关重要，共有23个层次排列的项目。视觉子量表包括五个项目：惊吓反应、视觉定位、视觉追踪、物体定位和识别物体。
在区分VS和MCS中，视觉定位起着关键作用，并且有许多行为量度可用于DOC患者的评估。在CRS-R标准中，当眼睛从最初的定位点改变，并重新定位在新的目标位置上且超过2秒时，就可以认为存在持续的视觉定位。不同行为量表中所使用的不同刺激可能会影响诊断的准确性。因此，严重脑损伤患者的视觉定位评估已被广泛研究。有人对81例MCS及VS患者的视觉定位进行了评估，并用χ2测试分析了不同刺激的视觉情况。结果显示，81例患者中有40例(49％)表现为视觉刺激定位。这其中，与球(23，28％)和光(20，25％)相比，镜下视觉定位的患者明显增多(39，48％)。因此，他们得出结论，使用镜子来测试视觉定位是一种灵敏且准确的方法。也有人采用视觉运动整合(VMI)和视觉P300评估严重脑损伤患者，以检测他们维持视觉感知定位的视觉运动网络的残余功能。他们发现，MCS患者显示VMI和P300的保留模式，然而，两个被判读为VS个体都有VMI，类似于MCS患者。他们的数据表明，一些被判读为VS患者显示视觉定位可以察觉，这些患者可能被误判了。
然而，视觉定位的评估仍然是一项具有挑战性的任务。首先，由于运动障碍，严重脑损伤患者严重缺乏对外界刺激的行为反应，使得明确的定位迹象难以被观察到或容易丢失。第二，对于不同刺激的视觉响应行为已经被证明有很大的差异。而且，被检测患者的行为反应存在主观性和误读问题。因此，人为评估是否存在视觉定位可能导致许多严重脑损伤患者被频繁地误诊。
发明内容
针对人为评估视觉定位能力可能导致许多严重脑损伤患者被频繁误诊的问题，本发明的发明目的是，提供一种能对意识障碍患者的视觉定位能力进行评估的脑机接口系统，以协助临床医生确诊，减少误诊病例。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种能对意识障碍患者的视觉定位能力进行评估的脑机接口系统，其包括脑机接口，该脑机接口通过分析不同健康测试者视觉定位EEG信号之间的相似度，得到视觉定位EEG信号的相似阈值，然后根据该相似阈值评估意识障碍患者的视觉定位能力。视觉定位EEG信号是指对测试者进行视觉定位刺激过程中收集到的EEG信号。
具体：首先，利用K个健康测试者视觉定位的测试样本数据建立训练样本集T，T＝(x1,x2,…xi,…xK)，计算所有训练样本之间的相似度s，得到相似阈值S，S＝MAX(s)；
然后，将意识障碍测试患者视觉定位的测试样本数据作为待评估样本，计算待评估样本与所有训练样本之间的相似度s‘，如果MAX(s‘)≤S，则判断意识障碍测试患者具有视觉定位能力。
所述EEG信号采集的为FCz、Cz、Pz、O1、Oz和O2这六个导联通道上的EEG信号。
采集的EEG信号在0.5Hz-20Hz范围内进行带通滤波处理。
所述脑机接口系统还包括作为视觉定位评估刺激物的显示器，其通过由中心位置向周边选中的目标位置移动的橙色圆球刺激患者进行视觉定位。
本发明还提供一种上述系统在辨别患者属于MCS状态或VS状态上的应用，具体若判断意识障碍测试患者具有视觉定位能力，属于MCS状态，否则属于VS状态。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
意识障碍患者对外界刺激的行为反应大多并不明显，而且反应容易丢失，并且对不同视觉刺激的响应行为本身也存在很大差异，人为评估时，还存在主观性、误读等问题，导致误诊频繁发生。本发明脑机接口系统直接避开了传统方法对意识障碍患者行为反应和临床医生主观理解的依赖性，直接通过检测意识障碍患者对外界刺激的内源性脑反应，获知其状态。试验结果表明，本发明可在没有行为表达的情况下，通过检测患者EEG信号，准确评估其状态。事实证明，本发明可有效协助临床医生确诊，减少误诊病例。
具体实施方式
一种能对意识障碍患者的视觉定位能力进行评估的脑机接口系统，其包括作为视觉定位评估刺激物的显示器，其放置在测试者面前，其屏幕中心显示一个边长为27.38厘米的正方形。在正方形左、右、上、下四条边上分别显示一个橙色圆球。实验时，四个橙色圆球中的一个被随机地选择为目标位置。然后，在正方形中心闪现十字形的视觉提示标记并持续2秒。脑机接口系统的另一结构BCI(在某些情况下，上述显示器与BCI也可以合二为一)开始采集测试者脑电图(EEG)数据。2秒后，十字形消失，一个新的橙色圆球在中心位置出现，然后，圆球从中心向目标位置移动，引导测试者视觉从中心位置定位到目标位置。
BCI使用放大器和脑电帽记录FCz、Cz、Pz、O1、Oz和O2这6个电极导联头皮EEG信号(这几个导联上的信号与实验关联性较强)。EEG信号被放大后，在0.5Hz到20Hz范围内进行带通滤波，然后采样，采样频率设定为120Hz，并参照右乳突，即用其作为参考电位点。
上面所有电极的阻抗均在5kΩ以下。通过上面方式，获得K个健康测试者的EEG数据作为训练样本集，意识障碍患者EEG数据则作为测试样本。
EEG信号采样后，BCI进行视觉定位能力评估的过程如下：
一、对原始训练样本EEG信号带通滤波，获取滤波后训练样本集数据
选取FCz、Cz、Pz、O1、Oz和O2等6个导联通道上的EEG信号，在0.5Hz和20Hz范围内进行带通滤波。带通滤波之后，每个通道上提取事件相关电位对应的EEG数据，得到训练样本集T，T＝(x1,x2,…xi,…xK)，Xi数据为X6xixN，其中，6为导联通道数，i为K个训练样本中第i个训练样本，N为训练样本单次采样数(单通道上的采集数)；
二、计算训练样本相似度
计算第i个训练样本与第j个训练样本相似度，计算方法：
三、计算训练样本集相似度阈值
计算所有训练样本集相似度si,j中最大值，得到相似度阈值，计算方法：
S＝Max(si,j)其中i≠j
四、对原始测试样本EEG信号带通滤波，获取滤波后测试样本集数据
原始测试样本EEG信号带通滤波方法参照步骤一，得到样本Y，数据为Y6xN，其中6为导联通道数，N为测试样本单次采样数(单通道上的采集数)；
五、计算测试样本与训练集样本相似度
计算测试样本与第i个训练样本相似度，计算方法：
六、计算测试样本相似度阈值
计算所有测试样本与训练样本集相似度s′i中最大值，得到相似度阈值，计算方法：
S′＝Max(s′i)
七、评估意识障碍测试患者是否具有视觉定位能力
训练样本集相似度阈值S，S＝[S1,S2,S3,S4,S5,S6],测试样本相似度阈值S′,S′＝[S1′,S2′,S3′,S4′,S5′,S6′]，S′的所有分量与S的所有分量依次比较，如果S′的所有分量都小于或等于S的所有分量，则测试样本与训练样本相似，意识障碍测试患者具有视觉定位能力，属于MCS状态，否则不具有视觉定位能力，属于VS状态。
对15名意识障碍患者进行实验后的情况如下：2人在临床医生的CRS－R评估和本发明评估中均显示了视觉定位能力，有1人在临床医生的CRS－R评估中没有显示出这种行为能力，但在本发明的评估中取得了显著的实时准确性，后续证实该患者确实具有视觉定位能力。由此可见，本发明可以很好地协助临床医生对意识障碍患者进行视觉定位能力评估，减少误诊。
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 (6)
1.一种能进行视觉定位能力评估的脑机接口系统，其包括脑机接口，其特征在于，该脑机接口通过分析不同健康测试者视觉定位EEG信号之间的相似度，得到视觉定位EEG信号的相似阈值，然后根据该相似阈值评估意识障碍患者的视觉定位能力。
2.根据权利要求1所述的脑机接口系统，其特征在于，所述脑机接口系统具体通过如下步骤进行视觉定位能力评估：
首先，利用K个健康测试者视觉定位的测试样本数据建立训练样本集T，T＝(x1，x2，...xi，...xK)，计算所有训练样本之间的相似度s，得到相似阈值S，S＝MAX(s)；
然后，将意识障碍测试患者视觉定位的测试样本数据作为待评估样本，计算待评估样本与所有训练样本之间的相似度s′，如果MAX(s′)≤S，则判断意识障碍测试患者具有视觉定位能力。
3.根据权利要求2所述的脑机接口系统，其特征在于，所述EEG信号采集的为FCz、Cz、Pz、O1、Oz和O2这六个导联通道上的EEG信号。
4.根据权利要求3所述的脑机接口系统，其特征在于，采集的EEG信号在0.5Hz-20Hz范围内进行带通滤波处理。
5.根据权利要求1所述的脑机接口系统，其特征在于，所述脑机接口系统还包括作为视觉定位评估刺激物的显示器，其通过由中心位置向周边选中的目标位置移动的橙色圆球刺激患者进行视觉定位。
6.权利要求1-5任一项权利要求所述的脑机接口系统在辨别患者属于MCS状态或VS状态上的应用。
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