一種基于多模態(tài)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)接口研宄領(lǐng)域，特別涉及一種基于多模態(tài)腦機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢 測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 意識(shí)是一個(gè)內(nèi)涵豐富的概念，可分成兩個(gè)主要部分：覺醒（arousal)和覺知 (awareness)。對(duì)于嚴(yán)重腦損傷患者來說，他們?cè)诙冗^急性階段后將進(jìn)入病情穩(wěn)定的恢復(fù) 階段。相對(duì)于急性期，此階段的病情評(píng)估需要盡可能的全面，并且希望能夠反應(yīng)預(yù)后及轉(zhuǎn) 歸。根據(jù)覺知水平的不同，該類患者可分為多個(gè)臨床狀態(tài)。有些患者可能會(huì)進(jìn)入到植物狀 態(tài)（vegetative state, VS)，他們有睡眠-覺醒的周期，但完全喪失對(duì)自身及外部環(huán)境的覺 知能力。有些患者則可能恢復(fù)到最小意識(shí)狀態(tài)（minimally consciousstate，MCS)，即存在 微弱但確定的覺知能力。由此可見，MCS與VS的區(qū)分在于是否有證據(jù)表明患者具有覺知能 力。另一方面，閉鎖綜合癥（l〇cked-in syndrome，LIS)患者是覺醒的并且具有完好的覺知 能力，但身體完全癱瘓。這樣也有可能導(dǎo)致與植物狀態(tài)或最小意識(shí)狀態(tài)的混淆。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)。以2004年美國JFK醫(yī)學(xué)中心Giacino等人修改的昏迷恢復(fù)量 表（JFK Coma Recovery Scale-Revised，CRS-R)為例，分為6個(gè)項(xiàng)目：聽覺、視覺、運(yùn)動(dòng)、言 語反應(yīng)、交流及喚醒水平。當(dāng)使用昏迷恢復(fù)量表CRS-R對(duì)患者的意識(shí)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定時(shí)，若患 者某個(gè)項(xiàng)目的分值小于或等于評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（聽覺2分，視覺1分，運(yùn)動(dòng)2分，言語反應(yīng)2分，交 流0分，喚醒度不評(píng)分僅作參考），則其意識(shí)狀態(tài)被評(píng)定為VS ;若某個(gè)項(xiàng)目高于評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為 MCS ;若運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目達(dá)到6分或交流項(xiàng)目達(dá)到2分為脫離MCS。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。此外， 對(duì)于嚴(yán)重意識(shí)障礙患者，他們用以交流的運(yùn)動(dòng)表達(dá)系統(tǒng)可能存在不同程度的損傷，同時(shí)其 覺醒水平具有局限性且經(jīng)常不穩(wěn)定，因此行為判斷本身在操作上的準(zhǔn)確性也不易保證。已 有文獻(xiàn)證實(shí)對(duì)VS意識(shí)障礙患者進(jìn)行常規(guī)行為診斷的誤診率高達(dá)37% -43%。
[0004] 具體來講，現(xiàn)有技術(shù)及現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)如下所示：
[0005] -、現(xiàn)有技術(shù)一的技術(shù)方案
[0006] 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)。
[0007] 二、現(xiàn)有技術(shù)一的缺點(diǎn)
[0008] 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。此外，對(duì)于嚴(yán)重意識(shí)障礙患者，他們用以交流的運(yùn)動(dòng)表達(dá)系 統(tǒng)可能存在不同程度的損傷，同時(shí)其覺醒水平具有局限性且經(jīng)常不穩(wěn)定，因此行為判斷本 身在操作上的準(zhǔn)確性也不易保證。已有多篇文獻(xiàn)證實(shí)對(duì)VS意識(shí)障礙患者進(jìn)行常規(guī)行為診 斷的誤診率高達(dá)37% -43%。
[0009] 三、現(xiàn)有技術(shù)二的技術(shù)方案
[0010] 最近，部分學(xué)者利用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI)來研宄意識(shí)障礙患者存留下來的腦功能。他們的目的是在fMRI中檢測(cè)出 基于特定命令的變化，并提供不依靠運(yùn)動(dòng)表達(dá)系統(tǒng)的覺知能力的證據(jù)。使用功能神經(jīng)成像， 前人的研宄采用自我指示的刺激，如對(duì)MCS病人在聽覺上進(jìn)行熟悉聲音的喚名，來客觀地 衡量患者大腦處理的能力。在一個(gè)個(gè)案研宄中[4]，Owen等人要求VS患者在進(jìn)行fMRI的 過程中根據(jù)提示完成"打網(wǎng)球"和"在自己屋里行走"的想象任務(wù)。在兩個(gè)任務(wù)中，該患者 顯示出與正常受試者相類似的腦激活現(xiàn)象。在幾個(gè)月后，該患者通過行為表現(xiàn)的評(píng)分被診 斷為MCS。
[0011] 四、現(xiàn)有技術(shù)二的缺點(diǎn)
[0012] 盡管學(xué)者們提出了不少基于fMRI的方法，但是fMRI的一些限制包括高額費(fèi)用，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）局限了其在意識(shí)障礙患者的廣泛應(yīng)用。與fMRI不同，腦機(jī)接口由于 其相對(duì)便宜的價(jià)格且良好的便攜性，因而能很好應(yīng)用到臨床上。
[0013] 五、現(xiàn)有技術(shù)三的技術(shù)方案
[0014] 當(dāng)前，腦機(jī)接口也開始用于對(duì)意識(shí)障礙患者進(jìn)行意識(shí)狀態(tài)的檢測(cè)。Lule等人[5] 對(duì)13位MCS患者、3位VS患者和2位LIS患者進(jìn)行了基于聽覺P300的4分類腦機(jī)接口測(cè) 試。在訓(xùn)練階段結(jié)束后，每個(gè)患者必須通過注意聲音序列中"YES"或者"NO"的重復(fù)出現(xiàn)來 回答10個(gè)問題。一位LIS病人取得了 60%的正確響應(yīng)，而另一 LIS患者只取得了 20%的 準(zhǔn)確率而不能使用BCI進(jìn)行交流。此外，沒有任何MCS或者VS患者能使用BCI進(jìn)行在線交 流。
[0015] 六、現(xiàn)有技術(shù)三的缺點(diǎn)
[0016] 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聽覺刺激來實(shí)現(xiàn)。聽覺腦機(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，視覺腦機(jī)接口要比聽覺腦 機(jī)接口的準(zhǔn)確率要好得多。本發(fā)明設(shè)計(jì)的就是采用視覺腦機(jī)接口來進(jìn)行意識(shí)障礙患者的意 識(shí)檢測(cè)。
[0017] 綜上可知，采用更加客觀和科學(xué)的方法來檢測(cè)患者的意識(shí)狀態(tài)是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于多模態(tài)腦機(jī)接口的 意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法。
[0019] 本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0020] 一種基于多模態(tài)腦機(jī)接口的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)方法，包含以下順序的步驟：
[0021] SI.圖形用戶界面上顯示兩張照片，當(dāng)用戶想選擇一種相片時(shí)，用戶注視相應(yīng)的相 片并默數(shù)相框閃爍的次數(shù)；SSVEP通過相片的閃爍產(chǎn)生，與此同時(shí)，P300電位由相框的閃爍 產(chǎn)生；
[0022] S2.通過用戶頭戴的腦電采集帽采集頭皮腦電信號(hào)，并通過便攜式放大器記錄頭 皮腦電信號(hào)；然后將頭皮腦電信號(hào)復(fù)制成兩份，分別進(jìn)入步驟S3、S4的檢測(cè)流程；
[0023] S3. P300 電位檢測(cè)：
[0024] (1)頭皮腦電?目號(hào)在0.1 -IOHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行帶通濾波，并進(jìn)行1/5下米樣；對(duì) 于一個(gè)樣值序列間隔幾個(gè)樣值取樣一次，這樣得到新序列就是原序列的下采樣；1/5下采 樣就是指每間隔5個(gè)腦電信號(hào)的樣值取樣1次；
[0025] (2)連接10個(gè)通道的向量，并通過平均所有5個(gè)round的閃爍，從而構(gòu)造對(duì)應(yīng)每個(gè) 相框的特征向量；使用這些特征向量及它們對(duì)應(yīng)的標(biāo)記，通過這些訓(xùn)練集數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)每 位患者的支持向量機(jī)（SVM)分類器；生成的SVM分類器將在下面的在線P300檢測(cè)中使用；
[0026] (3)在在線的同步算法中，P300檢測(cè)是每10秒進(jìn)行一次，對(duì)應(yīng)5個(gè)round相框的 閃爍；同樣地，通過對(duì)5次閃爍對(duì)應(yīng)的5個(gè)round向量求平均，從而得到特征向量；把這些特 征向量輸入到前面生成的支持向量機(jī)分類器中，得到分別對(duì)應(yīng)2個(gè)相框的2個(gè)分?jǐn)?shù)；
[0027] S4. SSVEP 檢測(cè)：
[0028] (1)在4-20Hz的范圍內(nèi)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；其次，選取8個(gè)通道中閃爍階 段的10秒數(shù)據(jù)向量，并采用最小能量結(jié)合的方法生產(chǎn)新的信號(hào)向量；使用傅立葉變換，計(jì) 算新定義的信號(hào)向量的功率密度譜；
[0029] (2)通過整合閃爍頻率及其諧波的功率密度譜來計(jì)算SSVEP的能量；
[0030] (3)計(jì)算每張相片的窄帶能量和寬帶能量的比率；
[0031] S5.決策階段：采用相加的法則來結(jié)合前面P300檢測(cè)的分?jǐn)?shù)和SSVEP檢測(cè)的比 率，并通過找到相加值最大的索引來確定檢測(cè)的目標(biāo)，最后以檢測(cè)的相片作為反饋；
[0032] S6.評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：準(zhǔn)確率是由正確響應(yīng)的trial的數(shù)目除以全部trial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（hit)與不命中（miss)的觀察次數(shù)（observed frequencies)和理論次數(shù)（expected frequencies)，并根據(jù)下列公式進(jìn)行