[发明专利]一种基于视听觉脑机接口的意识状态检测方法

摘要

本发明公开了一种基于视听觉脑机接口的意识状态检测系统，包括脑电采集帽、便携式放大器、数据处理模块和评估模块，所述脑电采集帽置于用户头部，采集的头皮脑电信号经放大器放大后分别传输至数据处理模块的输出端，数据处理模块的输出端与评估模块连接。本发明系统采用同步语义匹配的视听觉刺激后，比临床量表和经验检测更准确，同时比功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的方法更便宜、便捷、方便。

主权项

1.一种基于视听觉脑机接口的意识状态检测系统，其特征在于：所述系统包括脑电采集帽、便携式放大器、电脑，所述脑电采集帽置于用户头部，采集的头皮脑电信号经便携式放大器放大后传输至电脑；其中，应用上述系统实现的检测方法，包括以下步骤：1)界面设计选用个位数字作为刺激语义素材，界面呈现时电脑从0‑9中随机抽取了2个作为刺激，并随机地放置在图形用户界面的左边和右边，两个喇叭放置在显示器的两侧，每次刺激出现时，视觉刺激是数字按键的闪烁，即屏幕上的数字按键的底色从黑色变成绿色，而按键上数字从白色变成黑色，听觉刺激是闪烁的数字的女声录音，听觉刺激与视觉刺激同时同一侧出现；2)信号采集在信号采集过程中，受试者戴上脑电采集帽，就坐于刺激端显示器前，显示器高度调至平视水平，所有通道的脑电信号均以右耳突为参照，其中“HEOG”与“VEOG”两个通道代表眼球运动，故在这里被排除在外，实验采用所有的32个通道的脑电信号，脑电采集过程中，所有电极的阻抗值皆为5kΩ以下，脑电信号以250Hz的频率采样，并在0.1至30Hz的范围内进行带通滤波；3)检测过程每一个受试者需要做至少2次测试，每次测试需要完成至少5个选择任务，第一次测试的数据用于训练模型，而后面的测试将用于得到最终的检测结果；每一个选择任务的过程如下：①指导语播放，在开始的时候，系统在屏幕上方出现实验任务的指导语，并在两侧喇叭中播放，同时两个数字，分别随机地展示在图形用户界面的左边和右边；②刺激呈现，指导语播完后，两张数字按键进行随机的闪烁，每个数字按键闪烁5次后下一个按键闪烁5次，每一次选择任务中每个按键闪烁十次，而轮流的次序随机，每次闪烁的时间至少为100毫秒，两次闪烁的间隔为700‑1500毫秒；③闪烁完成后，系统把数据实时处理后，把结果呈现在屏幕中央，持续至少2秒，如果正确，则出现一个“√”，并出现选择的数字，同时喇叭中播放鼓掌声，如果错误，则出现“×”，并出现选择的数字，喇叭不播放声音；④结果呈现后，受试者休息；4)数据处理刺激呈现完成后，便携式放大器把数据实时输送到电脑中，系统中的算法立即对实时数据进行处理，处理算法如下：首先，脑电信号在0.1‑20Hz频率范围内进行带通滤波，并进行1/5下采样；把每个通道采集的信号分割成数据单元，每个数据单元都是从一组按钮闪烁后从0到500毫秒时间内以向量的形式表示；如果受试者注视某一个数字，则该向量会包含一个ERP的波形；然后，连接32个通道的向量，并通过平均所有10次闪烁的数据，从而构造对应每个数字按键的特征向量；把这些特征向量输入到使用训练数据生成的SVM分类器中，得到分别对应2个数字的2个分数；最大的SVM分数所对应的数字按键就是受试者所选择的按键；5)统计结果与评估对测试结果进行统计，并通过准确率和ERP波形来评估被试的意识状态；准确率评估标准：准确率是由正确的任务数目除以全部任务的数目而得来，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：其中，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，以及分类项数k是自由度,即k＝1；当使用两类BCI进行所有判定时，在完全概率相等的情况下应该是命中和不命中的次数都应该是相等的，为了表明观察次数的显著性，即概率p≤0.05，自由度为1时，检验统计量χ2需要大于3.84；将所有任务的脑电信号，在0.1‑20Hz频率范围内进行带通滤波，然后把每个通道采集的信号分割成0‑500毫秒时间对应的数据单元，把所有重复次数和任务次数的数据平均后，按照目标和非目标区分，分别画出它们所对应的响应波形，通过潜伏期、波幅指标，判断受试者是否产生了ERP波形，最后结合命中率来判断受试者是否存在意识，若受试者产生了ERP波形，且命中率合格，则判断受试者存在意识，若受试者没有产生ERP波形，且命中率不合格，则判断受试者不存在意识，若受试者没有产生ERP波形但命中率合格或者命中率不合格但产生ERP波形，则受试者有待观察。