[发明专利]视觉追踪的脑机接口检测系统

说明书

本发明公开了一种视觉追踪的脑机接口检测系统，包括高清人脸头像采集与移动模块、EEG信号采集模块、时频特征分析提取与分类模块、统计检验评估标准模块这几个功能模块。该系统根据行为量表评估视觉追踪的过程，选定脑机接口实验范式中的目标刺激与非目标刺激，目标刺激键闪烁同时移动，非目标保持不动。通过目标刺激的移动与闪烁，引导患者选择性追踪该目标头像并保持注意直至目标键从中心移至初始位置，并由ITPC(试次间相位一致性)作为特征进行分类实时输出在线结果，20次在线任务的结果进行统计检验，达到显著水平，则认为患者存在视觉追踪，否则不存在。本发明克服了行为量表和经验检测的对行为响应变化的敏感度不高、评估者主观性太强等缺点。

技术领域

本发明涉及脑机接口技术、运动视觉诱发电位、人脸识别诱发电位以及偶发任务相关的诱发电位的技术领域，尤其是指一种视觉追踪的脑机接口检测系统。

背景技术

皮层脑电信号(electroencephalogram，EEG)可以通过无损伤的脑机接口系统采集，并且逐渐被应用于神经系统疾病辅助诊断、脑功能的研究等方面。人们通过研究EEG脑电信号中自主产生的内源性的节律成分或者由外部刺激诱发的外源性脑电成分以及信源的空间位置和相互关系去获取大脑对外部环境的反应。因此，对于严重缺乏行为表达和存在感觉缺陷的意识障碍患者来说，多模态脑机接口系统通过播放多种感官刺激并直接检测大脑中与刺激相关的脑电成分，用于辅助意识障碍患者的临床诊断，从而提供更为客观准确的诊断与预后评估结果。

目前对意识障碍患者的临床评估主要依据各种行为量表，但患者的行为表达容易受到运动损伤、感觉缺陷、觉醒水平低或易疲劳等因素影响而造成很高的误诊率(37-43％)。昏迷恢复量表-修订版(Coma Recovery Scale-Revised，CRS-R)分为听觉，视觉，运动，语言，交流，唤醒6个子量表；每个子量表包含若干项目分别检测患者各项功能状态；比如视觉子量表包含：0分–无反应，1分–视觉惊吓，2分–视觉定位，3分–视觉追踪，4分–物体定位，5分–物体识别；5个项目的评分由经验丰富的临床医生先对患者实施具体的刺激过程，随后通过患者的行为响应给出相应评分。其中视觉追踪项的具体评估过程如下：在患者面前50cm处，评估者手持直径为10-15cm的圆镜，缓慢地向上、下、左、右四个方向移动，观察移动过程中患者的眼睛是否跟随镜子有相应的移动，4个方向的4次评估中如果观察到2次追踪行为，则认为患者具有视觉追踪行为，否则进行2分项(视觉定位)的评估。这种评估可能会因为眼动受限(运动障碍)或行为不易观察到等而造成诊断结果不准确。

本发明根据运动视觉刺激、人脸识别、偶发任务刺激诱发事件相关电位(ERP)的原理设计的脑机接口检测系统。该系统提取ITPC(inter-trial phase coherence，试次间相位一致性)特征进行分类并实时输出结果，同时结合离线的ERP波形与时频分析中的ERSP(event related spectral perturbation,事件相关谱扰动)共同判断患者是否具有视觉追踪响应。大脑对外部刺激的内/外源性的响应比起行为响应更为敏感、客观准确。因此，采用脑机接口检测意识障碍患者的视觉追踪可能获得更为准确客观的评分。

本发明的难点在于实时运动的人脸视觉刺激的设计与实现、意识障碍患者脑电信号中与刺激相关的特征提取及基于ITPC分类算法的设计。根据行为量表中的视觉追踪和意识障碍被试的特点，选择运动的人脸刺激和对应ERP的潜伏期。采用高清摄像头实时采集被试当前的头像作为大小4cm的人脸刺激键，并通过Microsoft Visual C++软件编程实现目标人脸刺激键的实时移动，移动过程记录EEG信号，在单个试次结束后，根据提取的特征输出结果并以视听反馈形式播放给被试者。ITPC特征的选择需要确定有效的潜伏期与对应的频带范围，确保达到预期的检测效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种视觉追踪的脑机接口检测系统，可补充临床行为量表中经典的行为与生理观察，减少因为患者缺乏行为或者评估者主观解释造成的临床误诊率。