[发明专利]一种用于意识障碍患者的唤名促醒系统

摘要

本发明公开了一种用于意识障碍患者的唤名促醒系统，包括唤名刺激模块、脑电信号采集模块、数据处理模块；唤名刺激模块采用自名与他名按照一定比例随机播放给被试者；脑电信号采集模块实时记录被试者脑电信号；数据处理模块可以实时输出在线准确率，也可以离线分析被试者的预后情况。本发明采用唤名oddball范式的脑机接口去对意识障碍患者进行促醒治疗，并分析患者在唤自名和唤他名刺激后的EEG数据。在线分析准确率实时反馈给测试者和被试者，而离线分析能够对比意识障碍患者康复过程中脑电响应的变化以对其康复做出正确预后。本发明通过唤名的持续听觉刺激促进意识障碍患者的觉醒，提高患者意识及行为反应从而达到唤醒的治疗目的。

主权项

1.一种用于意识障碍患者的唤名促醒系统，其特征在于，包括：唤名刺激模块、脑电信号采集模块、数据处理模块；其中：所述唤名刺激模块，包括刺激端显示器，根据听觉新异实验范式选取标准与偏差两类声音刺激，标准刺激为他人名字，从中国名字库中随机选取相同数量的双音节名字和三音节名字素材，并采用标准声录音，而偏差刺激则是被试者自己的名字，同样采用标准声录音，同时采用Adobe Audition软件处理录音确保所有声音刺激长度为一致，其中，单个刺激任务中至少包含10轮重复刺激序列，单个序列包含的标准与偏差刺激比例为n:1，即标准刺激与偏差刺激以n：1的比率随机出现在每一轮刺激序列中，声音强度为60‐75dB，其中n＝2、3、4、5、6、7、8、9、10，且刺激序列中相邻两个刺激之间的时间间隔至少为2秒；所述脑电信号采集模块，采用脑电放大器和16通道的EEG电极帽来记录头皮脑电信号，然后将头皮脑电信号传输至数据处理模块；所有通道的脑电信号均以右耳突为参照，在脑电采集过程中，所有电极的阻抗值皆为5KΩ以下，且脑电信号以1000Hz的频率采样，并在0.1至70Hz的范围内进行带通滤波；信号采集时，先让受试者坐于刺激端显示器前，与显示器的距离为40‐50cm，显示器高度调至平视水平，给受试者佩戴EEG电极帽，用平口针筒将电极膏注入电极帽嵌入式电极，电极膏注入完毕，给受试者佩戴耳机；其中，采用Microsoft Visual C++软件编写程序播放听觉刺激任务，屏幕首先出现一个焦点提示受试者集中注意力，随后出现十字标记表示进入实验准备状态，然后再进行单个任务，播放完一个任务，根据被试疲劳程序选择休息10‐60秒后选择进入下一个任务；被试每次需完成若干个任务段，至少包含一个校准任务段及任意个在线任务段；校准任务段和在线任务段均至少包含10次单个任务；其中，校准任务段是建立分类模型，为在线任务段提供模型的参数；在线任务段用于评估模型并获取被试状态；所述数据处理模块，在单个刺激任务呈现完毕后，对数据进行存储或处理，并根据实时结果播放正性/负性反馈声音，其中正性反馈声音是欢快的掌声，负性反馈声音是叹息声；其具体情况如下：由脑电信号采集模块采集到的原始EEG信号，包含所有校准和在线的所有任务数据，经6阶最小相位有限冲击响应滤波器滤波，滤波带宽为0.1‑20Hz；校准任务段数据处理过程：选择至少1‑16个通道，利用所选通道的滤波后的EEG数据构建数据单元，每个数据单元时间段提取从刺激结束后开始；在16个通道，采样率为fs Hz时，产生一个16×fs×4的数据矩阵，对这些数据进行基线校准，即减去刺激前的预设平均值，随后再对此数据进行下采样，下采样率为fd，得到一个通道C乘以数据点N的矩阵，N＝fs×4/fd；将C个通道的数据串联成含有C×N个元素的向量，同时把每个声音刺激重复的10轮播放对应的向量平均起来，每个任务中的每个刺激构建一个特征向量，即共1+n个特征向量，从训练校准数据集的数据中提取特征向量，训练一个支持向量机的分类器，即SVM模型，在分类器中，对应目标和非目标的特征向量分别被标注为1和‑1；在线任务段数据处理过程：对于每个在线的测试任务，训练的SVM模型被应用到对应n+1个刺激键的n+1个特征向量中，获得n+1个SVM的值，n+1个值中最大值对应的刺激被认为是探测到的目标，即唤自名，如果探测到的目标与实际目标一致，则这个任务正确响应，最后，计算出唤名促醒的准确率，即正确响应的任务数与在线测试总的任务数的比值，为了衡量准确率是否显著，通过统计命中与不命中的观察次数和理论次数，并根据下列公式进行卡方检测：式中，foi和fei分别是第i个分类的观察次数和理论次数，i＝1,2,...,k；在这里，观察项目分为命中和不命中两类，fo1和fo2分别是命中和不命中的观察次数，fe1和fe2分别是命中和不命中的理论次数，自由度是分类项数k减1，即为1；若使用8种选择的BCI进行24次任务时，在完全概率相等的情况下应该是命中和不命中的次数分别是3和21；为了表明观察次数的显著性，即概率p≤0.05，在自由度为1时，检验统计量χ2需要大于3.84，即24次任务中，患者需要完成≥7个正确响应的任务数；对于完成24次任务的受试者中，其正确率在显著水平29％以上，认为该意识障碍患者具有很好的预后，多次任务段的数据能够得到平均正确率；对于离线数据，利用脑电分析的方法，包括小波变换、短时傅里叶变换、傅里叶变换，求取刺激后和刺激前安静状态下的能量值，分析唤名刺激前后的脑电能量的比值差异性，对比意识障碍患者康复过程中脑电响应的变化以对其康复做出正确预后。