[發明專利]一種隱式注視腦機接口的意識狀態檢測系統

在審

• 申請號: 201910125927.0
• 申請日: 2019-02-20
• 公開（公告）號: CN109893093A
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 李遠清;潘家輝;肖君;黃健濤
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;A61B5/0476;A61M21/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種隱式注視腦機接口的意識狀態檢測系統，其特征在于，包括：視聽覺刺激模塊、腦電信號采集模塊、腦電信號處理模塊；其中：

所述視聽覺刺激模塊，采用語義一致和不一致的視聽數字隨機播放給受試者；在LED顯示器的中心位置放置了一個可視按鈕，兩個揚聲器位于LED顯示器的背面，用于展現聽覺刺激；其中，視覺刺激包括10個視覺數字：0，1，…，9，而聽覺刺激包括10個口語數字：0，1，…，9；每個刺激呈現包括一對語義上相同的視覺和口語數字或不一致的視覺和口語數字，兩個連續刺激之間存在間隔時間，且所有的視聽刺激都是單獨呈現的，視覺刺激出現在屏幕的同一位置，因此，范式是隱式注視的；

關于隱式注視腦機接口意識檢測的范式，首先構建了四對視聽刺激，其中一對在語義上是一致的，而另外三對在語義上是不一致的；在語義一致性/不一致性條件下，這些視覺刺激和聽覺刺激是從視覺和口語數字：0，1，…，9中隨機選擇的；每次試驗都以視聽覺的任務提示開始，持續設定時間段，指令是“默數視覺數字和口語數字相同的次數”，在指令提示之后，四對視聽刺激以隨機順序分別展示設定次數，具體地說，四個視覺數字按照隨機順序以出現到消失的形式進行閃爍，每個出現持續設定時間，并且在兩個連續出現之間間隔設定時間；視覺數字的出現伴隨一個預設時間的口語數字，受試者要求默數一致的視聽刺激即目標的出現次數，同時忽略不一致的視聽刺激即非目標，以這種方式，產生了“oddball”效應，經過設定時間后，腦機接口系統在線進行P300檢測，以確定受試者所關注的視聽刺激對，由腦機接口系統確定的反饋結果出現在顯示器的中心，如果檢測結果正確，掌聲將會作為反饋用來增加受試者的積極性；根據受試者的疲勞程度，每個trial之間有休息時間，由于有四對視聽刺激，其中之一為目標，準確檢測的概率水平是25％；

所述腦電信號采集模塊，用于實時記錄受試者進行規定任務的腦電信號，具體是采用NuAmps便攜式放大器來記錄頭皮腦電信號，然后將頭皮腦電信號傳輸至腦電信號處理模塊；在信號采集過程中，受試者頭戴LT37型的32通道的腦電采集帽，記錄32個通道的腦電信號，所有通道的腦電信號均以右耳突為參照，其中“HEOG”與“VEOG”兩個通道代表眼球運動，故在這里被排除在外；腦電采集過程中，所有電極的阻抗值皆為5Ω以下；腦電信號以250Hz的頻率采樣，并在0.1至30Hz的范圍內進行帶通濾波；

所述腦電信號處理模塊，用于實時輸出在線檢測結果，在刺激任務呈現完畢后，對數據進行存儲或處理，并根據實時結果播放正性/負性反饋聲音，其中正性反饋聲音是歡快的掌聲，負性反饋聲音是嘆息聲，其具體情況如下：

由腦電信號采集模塊采集到的原始EEG信號，先在0.1-20Hz頻率范圍內進行帶通濾波，并進行1/5下采樣；把每個通道采集的信號分割成數據單元，每個數據單元都是從一組按鈕閃爍后從0到設定時間內以向量的形式表示；然后連接30個通道的向量，得到額定個數據點的新數據向量；接著，通過平均所有n次重復閃爍對應的向量來提高信噪比SNR，n＝1，2，3，…，為每個視聽刺激對構建包含額定個數據點的特征向量，這些特征在刺激開始后900毫秒內包含了多個ERP成分；接著，利用訓練階段數據的特征向量訓練SVM分類器，SVM分類器是基于LBSVM與線性核工具箱，SVM的參數通過五次交叉驗證來確定，最后，在每次在線試驗中，對四對視聽刺激對應的四個特征向量應用SVM分類器，從而得到四個SVM得分，通過該試驗獲得的檢測結果被確定為對應于SVM得分的最大值的視聽刺激對；

如果探測到的視聽刺激對是視聽刺激一致的實際目標，則這個任務正確響應，最后，計算出意識檢測的準確率，即正確響應的任務數與在線測試總的任務數的比值，為了衡量準確率是否顯著，通過統計命中與不命中的觀察次數和理論次數，并根據下列公式進行卡方檢測：

式中，f_oi和f_ei分別是第i個分類的觀察次數和理論次數，i＝1,2,...,k；在這里，觀察項目分為命中和不命中兩類，f_o1和f_o2分別是命中和不命中的觀察次數，f_e1和f_e2分別是命中和不命中的理論次數，自由度是分類項數k減1，即為1；使用的是四類腦機接口：一對視聽一致的刺激和三對視聽不一致的刺激，進行40次判定時，在完全概率相等的情況下命中和不命中的次數應該是10和30，為了表明觀察次數的顯著性，即p≤0.05，在自由度為1時，檢驗統計量χ²需要大于3.84，即在40個trial中，受試者需要在≥15個trial中正確響應。