[发明专利]大脑活动测量和反馈系统

说明书

技术领域

本发明涉及测量或监测用户的皮层活动并且任选地生成刺激且/或向用户提供反馈的头部安装式装置。使用本发明的应用可包括游戏、训练、感官运动技能的学习、神经损伤或疾病的诊断或治疗。

相关技术描述

因中风而发生的神经损伤常常表现为轻偏瘫或身体的其他部分麻痹。当前的康复程序常常基于由受损的身体部分进行的锻炼，实时追踪所述受损的身体部分的移动以向患者和/或执业医生提供反馈。计算机控制的机械致动系统已经用于在患者执行预定移动模式时追踪身体部分(诸如患者的手臂)的位置和所述身体部分所施加的力。为了减少患者疲劳，此类系统可例如通过可在执行移动的过程中进行协助的致动器来支持患者。此类装置的缺点是它们可能复杂且昂贵。同样，常规系统基于追踪实际移动，并且因此不适于在中风发生之后很早阶段的诊断或治疗，在这些阶段中移动受到影响或非常有限。如果例如身体部分移动过快或如果较重致动设备的一部分落在患者身上，常规系统还可能给患者带来风险。常规系统也不是特别便携的，这通常会阻止家庭使用和在医院环境中的使用，并且还可能难以适应特定患者的康复要求，因为所允许的移动范围常常受到机械系统的约束。

US 2011/0054870公开了用于患者康复的基于VR的系统，其中患者身体部分的位置由运动摄像机追踪。使用软件来创建在监视器上向患者显示的运动化身(motion avatar)。在一个实例中，如果患者在规定两只手臂移动时仅移动右臂，则化身也可显示左臂的运动。

在2006年10月23日的ACM国际多媒体技术大会上，Chen,Y等人的‘The design of a real-time,multimodal biofeedback system for stroke patient rehabilitation’中公开了类似的系统，其中使用红外摄像机来追踪患者手臂上的标记物的3维位置。使用监视器，在完成预定义的移动模式时在VR中显示患者手臂的位置，诸如所显示图像的抓取。

某些基于VR的系统的缺点是它们仅测量身体部分对所指示任务的响应。因此，这些系统不直接响应于身体部分的所显示移动而测量皮层活动，而是仅以大脑的区域可控制身体部分的方式进行测量。这可导致所治疗的大脑区域不是受损的大脑区域，或者至少不能直接监测大脑的特定区域。此外，患者没有完全沉浸在VR环境中，因为他们面向单独的监视器屏幕来观看VR环境。

在WO 2011/123059和US 2013/046206中描述了具有大脑监测和运动追踪的基于VR的系统，已知系统的主要缺点是它们不能可靠地或准确地控制刺激或动作信号与大脑活动信号之间的同步，这可导致根据刺激或动作不正确地或不准确地处理并读取大脑响应信号。

在常规系统中，为了使多模式数据(包括生理的、行为的、环境的、多媒体的以及触觉的等等)与刺激源(例如，显示、音频、电或磁刺激)同步，以分散的方式连接多种独立的、专用的(即，针对每个数据源)单元，这意味着每个单元将其固有的性质(模块延迟和抖动)带到系统中。另外，这些单元可具有不同的时钟，因此以不同的格式并且以不同的速度采集异构数据。具体地说，不存在包括对虚拟和/或增强现实信息(其中一些内容可能在某种程度上与任何相关用户的生理/行为活动相关，并且被系统记录)和/或来自环境的任何信息的立体显示的综合系统。不能满足以上提及的要求可能在不同的应用领域中在各种情况下具有消极影响，如在以下非详尽的实例列表中简单提及的：

a)对刺激表现的神经响应的分析在许多应用神经领域中是重要的。当前的解决方案包括同步质量，尤其是在所测量的神经信号(例如，EEG)与刺激信号(例如，提示的显示)之间的抖动量方面。因此，不仅降低了所采集信号的信噪比，而且使分析限于较低频率(通常小于30Hz)。确保最少抖动的同步将会开辟在更高频率中的神经信号探索以及基于精确(亚毫秒)计时的刺激(不仅是非侵入性刺激，而且是直接在神经位点处的侵入性刺激和皮下刺激)的新可能性。

b)虚拟现实和身体感知：如果不能实现用户移动的捕捉与所述移动到实时重现所述移动的虚拟人物(化身)上的映射之间的同步，则通过屏幕或头部安装式显示器对所进行移动的延后视觉反馈将会使用户感觉他/她不是这种移动的创造者。这可能在运动康复(其中，患者接受训练以恢复移动性)中并且对于极度危险的操作(如通过远程操纵机器人来解除炸弹)的训练或执行具有重要影响。

c)大脑-计算机接口：如果运动意图(如脑电图数据所记录的)、肌肉活动与向大脑身体控制的神经假体的输出之间的同步失败，则不可能使运动动作与神经激活连结起来，从而无法得知运动动作所基于的、成功控制神经假体所必需的神经机制。