检测生理信号的额部电极传感器的配置和空间放置的制作方法
【专利说明】检测生理信号的额部电极传感器的配置和空间放置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利文件要求2012年10月12日提交的标题为“METHOD AND APPARATUS FOROPTIMIZING CONFI⑶RAT1N AND SPATIAL PLACEMENT OF FRONTAL ELECTRODE SENSORS TODETECT EEG BRAIN SIGNALS OF INTEREST” 的美国临时专利申请 N0.61/713，339 的优先权的权益。前述专利申请的全部内容通过引用合并为本申请的公开的一部分。
技术领域
[0003]本专利文件涉及用于获取和分析生理信号的系统、设备和过程。
【背景技术】
[0004]脑电图(EEG)是使用受试者的头皮上安置的电极对由大脑展现的电活动的记录，形成包括EEG数据集的神经信号振荡的谱内容。例如，由EEG技术检测的大脑的电活动可以包括例如由大脑神经元内的离子电流流动产生的电压波动。在某些上下文中，EEG指的是短时间周期内(例如小于一小时)对大脑的自发性电活动的记录。EEG可以用于临床诊断应用(包括癫痫症、昏迷、脑病、脑死亡以及其它疾病和缺陷)以及睡眠和睡眠障碍的研宄中。在一些情况下，EEG已经用于诊断肿瘤、中风以及其它病灶性脑紊乱。
[0005]EEG技术的一个示例包括事件相关电位(ERP)的记录，该事件相关电位的记录指的是与给定事件(例如，简单的剌激和复杂处理)相关的EEG记录的大脑反应。例如，ERP包括大脑的电反应-脑波-与感觉、运动和/或认知处理相关。ERP与大脑感知(例如，视觉、听觉等等)和认知(例如，注意力、语言、决策等等)的测量相关联。典型的ERP波形包括正电压偏转和负电压偏转(称为成分)的时间演变。例如，使用字母(N/P:负/正)和数字(以从刺激事件开始的毫秒来指示潜伏期，针对该时间该成分出现)对典型的成分进行分类。
【发明内容】
[0006]公开了用于使用有限数量的电极传感器获取感兴趣的生理信号(例如，可以用于确定认知和/或感觉表现、心理状态和/或行为偏好)的设备、系统和技术。
[0007]在一个方面中，生理传感器设备包括由电绝缘材料制成并且构造成允许设备与用户头部的额部区域物理接触的衬底、配置在衬底上的第一位置处以获取用户的电生理信号的第一电极、配置在衬底上的第二位置处以获取用户的第二电生理信号作为电生理信号的参考信号的第二电极、以及配置在衬底上以获取用户的第三电生理信号作为电接地信号的第三电极，其中第三电极配置在衬底上至少部分地在第一位置与第二位置之间的第三位置处，以及当生理传感器设备适当地放置在用户额部区域上时第一位置沿额部区域中的矢状方向配置在第二位置和第三位置后方，以及其中当设备电耦合至电路时，设备是可操作的以检测用户的生理信号。
[0008]生理传感器设备的实现方式可以可选地包括下列特征中的一个或者多个。在设备的一些实现方式中，例如，第一电极、第二电极和第三电极可以线性地布置在衬底上。例如，所检测的生理信号可以是从用户大脑感测的脑电图信号。在一些示例中，所检测的脑电图信号可以与事件相关电位相关联。例如，所检测的生理信号可以是从用户的头部肌肉感测的肌电图学信号，该肌电图学信号与用户的眨眼或者面部表情相关联。在设备的一些实现方式中，例如，衬底可以由构造成粘附至用户的皮肤或者可佩戴物品的机械柔性材料制成。在一些实现方式中，例如，设备还可以包括在衬底上单独形成并且分别通过导电导管电耦合至第一电极、第二电极和第三电极的电气接口组件，其中电路是通过导线电耦合至电气接口组件的外部电路。在一些实现方式中，例如，电路可以包括在示例性机械柔性衬底上形成的信号处理电路，该信号处理电路通过导电导管与第一电极、第二电极和第三电极电通信，其中信号处理电路可以放大所获取的生理信号。例如，电路可以包括衬底上的发射器单元，该发射器单元与信号处理电路电通信以向数据处理单元或者远程计算机系统中的至少一个发射放大的生理信号。在一些实现方式中，例如，设备还可以包括电耦合至电路的电源模块以向发射器单元提供电力。在一些示例中，生理传感器设备可以配置为用户头皮上佩戴的可佩戴贴片。在一些示例中，生理传感器设备可以配置在能够与用户头皮物理接触的可佩戴物品的区域中。在一些实现方式中，例如，设备还可以包括配置在衬底上的第四位置处以获取用户的第二电生理信号的第四电极，和配置在衬底上的第五位置处以获取用户的第三电生理信号的第五电极，其中第四位置配置在第一位置左边，以及第五位置配置在第一位置右边。
[0009]在生理传感器设备的一些实现方式中，例如，设备实现在用以提供认知或者感觉评估的系统中。系统可以包括数据处理系统，该数据处理系统与生理传感器设备通信并且构造成包括一个或者多个存储器单元和一个或者多个处理器，该一个或者多个处理器配置为将所检测的生理信号处理为生理数据，以生成包括与认知-感觉概况类别相关联的一个或者多个定量值的信息集，该认知-感觉概况类别指示认知或者感觉功能的一个或者多个方面。例如，数据处理单元的一个或者多个处理器可以配置为处理由生理传感器设备检测的生理信号以通过下列步骤生成信息集:基于呈现的刺激和认知-感觉概况类别在生理数据内选择感兴趣的时间间隔，将与所选择的感兴趣的时间间隔相对应的生理数据分组成一个或者多个分组数据集，以及提供跨分组数据集或者分组数据集内的关系的统计测量以生成一个或者多个定量值。例如，一个或者多个定量值可以包括基于用户的注意力、记忆力、学习能力、虚构(confabulat1n)特征、模式集成能力、语义集成能力、目标检测能力、情绪效价、偏好或者意识中的至少一个描绘认知和感觉表现中的一个或者两者的水平的定量分数，其中定量分数描绘在特定时间处的水平。在一些实现方式中，系统还可以包括刺激传送设备以基于认知-感觉概况类别产生呈现给佩戴生理传感器设备的用户的刺激序列，其中刺激包括视觉、听觉、嗅觉、触觉、或者味觉刺激介质中的至少一个，其中生理传感器设备接口连接至用户以在呈现刺激序列之前、期间和之后检测由用户展现的生理信号。在一些实现方式中，数据处理系统可以包括邻近生理传感器设备并且与生理传感器设备通信的本地计算机以从生理传感器设备接收所检测的生理信号，本地计算机配置为对所检测的生理信号进行初始处理以产生初始生理信号数据，以及远程计算机通过通信网络或者链路与本地计算机通信以从本地计算机接收初始生理信号数据，并且对初始生理信号数据进行处理以生成包括与认知感觉概况类别相关联的一个或者多个定量值的信息集。例如，本地计算机可以是移动通信设备，与所述生理传感器设备无线通信，包括智能手机或者平板电脑。
[0010]在另一个方面中，提供受试者的认知或者感觉评估的方法包括使用传感器设备从受试者头部的额部区域获取受试者的电生理信号以产生生理数据，以及对生理数据进行处理以生成包括与认知-感觉概况类别相关联的一个或者多个定量值的信息集，该认知-感觉概况类别指示认知或者感觉功能的一个或者多个方面，其中传感器设备包括由电绝缘材料制成并且构造成允许传感器设备与受试者头部的额部区域物理接触的衬底，以及三个电极，该三个电极包括记录电极、参考电极和接地电极以从沿着额部区域的矢状方向布置在衬底上的三个相应位置获取受试者的电生理信号，其中记录电极配置在接地电极和参考电极后方，以及接地电极配置在记录电极与参考电极之间。
【附图说明】
[0011]图1A和IB显示所公开技术的示例性额部电极生理传感器设备的框图。
[0012]图1C显示用于获取、分析和评估生理信号以产生单个或者群组的认识和/或意识概况的状态的所公开技术的示例性系统的图。
[0013]图1D-1F显示生成示例性认知和/或感觉概况的定量信息集的示例性方法的过程图。
[0014]图1G显示确定受试者头部的额部区域上的电极配置的示例性方法的图。
[0015]图2显示所呈现的视觉刺激的示例性序列的图。
[0016]图3A显示图示使用常规EEG系统的示例性额部电极配置以及来自用于检测EEG信号反应的常规EEG系统的实现方式的示例性结果的图。
[0017]图3B显示图示使用示例性三电极传感器设备的示例性额部电极配置以及来自用于检测EEG信号反应的示例性三电极传感器设备的实现方式的示例性结果的图。
[0018]图4A和4B分别显示使用沿着梯度电位配置和沿着等位线配置的示例性刚性电极的示例性三电极配置。
[0019]图5显示针对梯度电位配置和等位线配置两者在刺激呈现之前使用示例性刚性电极的示例性EEG在线记录的数据曲线。
[0020]图6显示针对梯度电位配置和等位线配置两者在示例性刺激呈现期间使用示例性刚性电极的示例性EEG在线记录的数据曲线。
[0021]图7A显示使用示例性刚性电极针对“目标”和“干扰项”的来自单个受试者的ERP波形的示例性数据曲线。
[0022]图7B显示使用示例性刚性电极针对“奖励”的来自单个受试者的ERP波形的示例性数据曲线。
[0023]图8显示示例性的制造、定制设计的刚性电极的图像。
[0024]图9A-9D显示针对“目标”、“干扰项”和“奖励”使用各种示例性刚性电极从单个受试者获取的ERP波形的示例性数据曲线。
[0025]图10显示示例性表皮电子额部三电极设计的示意图。
[0026]图1lA和IlB分别显示使用沿着梯度电位配置和沿着等位线配置的示例性柔性表皮电极的示例性三电极配置。
[0027]图12显示针对梯度电位配置和等位线配置两者在刺激呈现之前使用示例性柔性表皮电极的示例性EEG在线记录的数据曲线。
[0028]图13显示针对梯度电位配置和等位线配置两者在示例性刺激呈现期间使用示例性柔性表皮电极的示例性EEG在线记录的数据曲线。
[0029]图14A显示使用示例性柔性表皮电极针对“目标”和“干扰项”的来自单个受试者的ERP波形的示例性数据曲线。
[0030]图14B显示使用示例性柔性表皮电极针对“奖励”的来自单个受试者的ERP波形的示例性数据曲线。
[0031 ] 图15显示针对失匹配负波ERP的示例性刺激序列的图。
[0032]图16A和16B分别显示示例性刚性EEG电极帽的额部通道中和用柔性表皮电极传感器的，所诱发的失匹配负波、异常刺激和标准刺激的示例性群组平均ERP波形的数据曲线。
[0033]图16C和16D也分别显示示例性刚性EEG电极帽的额部通道中和用柔性表皮电极传感器的，所诱发的失匹配负波、异常刺激和标准刺激的单个受试者的示例性ERP波形的数据曲线。
【具体实施方式】
[0034]在人的大脑信号与关联的认知/心理状态(例如，想法)之间建立可靠的相关性可以为临床以及其它运用提供宝贵的和期望的应用。在基础科学中广泛探索的这种相关性已经成为对专门应用(诸如认知损害评估和使身体损伤的人能够进行沟通)的各种平移尝试的焦点。
[0035]表征认知和心理状态的一些系统依赖过各种行为和脑成像技术，例如，功能性磁共振成像(fMRI)和脑电图。例如，fMRI是通过相关代谢功能(例如，血液流动中的氧消耗)间接测量大脑功能，而EEG是通过记录头皮处存在的电场变化直接测量大脑活动，该电场源自神经细胞产生的电活动。
[0036]在确定关于受试者的感觉和/或认知信息中有几个重要因素。例如，这种因素可以包括可以诱发受试者反应的刺激类型、刺激的持续时间、刺激间的间隔、每个刺激呈现的重复次数、刺激的级别(例如，声音、亮度或者对比度级别等等)、与每个刺激呈现的开始相关联的标记等等以及记录传感器和系统。同样，使用的一个或者多个生理参数(例如，电压、功率、频率等等)、用于分析的相关时窗和分析结构可以影响大脑信号记录和相关认知评估。来自这些参数中的一个或者多个参数的偏差或者错误会造成有用方法或者人为驱动的无用方法之间的差别。
[0037]一些传统EEG记录技术包括例如放置在头发上的覆盖整个头皮的EEG帽。这些完整帽的EEG系统通常既不舒适又不在美观上令人愉悦，并且在一些情况下需要使用导电凝胶，该导电凝胶对用户来说很麻烦，并且可能需要技术应用等等。尽管一些EEG记录技术不利用完整帽，但是还包括安装在皮肤上的电极连同空间相异的其它电极一起，并且需要就便携性和舒适度而言并不高效的笨重头戴式装置，和/或这种安装在皮肤上的电极系统经受差的信号质量，对ERP的最佳检测显示不足的信噪比。例如，尽管一类安装在皮肤上的电子系统使用具有额部电极和非额部电极(例如，放置在受试者耳朵后面的一些电极)的电极配置来获取肌肉和大脑信号，但是信号分辨仅能够提取粗略的肌肉和大脑信号(包括眨眼和当受试者闭眼时的阿尔法节律振荡)，并且因此不能足够来检测较精细的大脑信号(诸如ERP)。这些技术难以或者不能获取相关大脑信号以提取反映行为的相关大脑信号和感兴趣的大脑测量，例如用于表征认知和/或心理状态。
[0038]例如，用于感觉、运动和/或认知分析的事件相关电位的测量可以包括在测量瞬态电移位(例如，ERP成分)中利用的技术，该瞬态电移位与所呈现刺激(例如，视觉、听觉、嗅觉、味觉或者触觉)的开始是时间锁定的并且在所探讨的神经心理过程期间反映潜在的大脑活动。例如，ERP成分可以表示多个感觉、运动和认知功能。各种ERP的幅度调制和头皮分布表示用于范围广泛的认知操作的正常神经心理处理的可靠和有效的大脑标记。另夕卜，ERP的异常调制和潜伏期已经与和神经精神障碍有关的各种感觉和认知缺陷(诸如精神分裂症、阿尔兹海默症和帕金森症)相关联。
[0039]因而，这些大脑活动测量的使用对生物医学研宄和发展以及用于神经障碍和神经精神障碍的有效诊断工具的临床应用有很大意义。然而，现今使用的ERP大脑标记仍然限于复杂的实验室环境和医疗设施。另外，记录EEG信号的传统方法是笨拙的、麻烦的并且不能有效地用于通用环境中。
[0040]公开了用于使用有限数量的电极传感器获取感兴趣的生理信号(例如，可以用于确定认知和/或感觉表现、心理状态和/或行为偏好)的设备、系统和方法。
[0041]在一个方面中，生理传感器设备包括由电绝缘材料制成并且构造成允许生理传感器设备与用户头部的额部区域物理接触的衬底以及当在用户前额上适当地应用设备时提供最小化设备覆盖区的衬底上的最优三电极配置。三个电极包括记录电极、参考电极和接地电极，以从沿着额部区域的矢状方向布置在衬底上的三个相应位置获取受试者的电生理信号，其中记录电极配置在接地电极和参考电极后方，以及接地电极配置在记录电极与参考电极之间。
[0042]所公开的技术将先进的认知神经科学、神经生理学、心理学和电磁学集成在前面地放置在前额上的生理信号检测电极的最优配置中，以使得能够进行各种认知方面的单个或者群组评估和生理/健康监测，例如，包括但不限于认知状态、认识、学习机制、行为偏好、神经和神经精神病理的易损性和/或症状的评估。可以在提供舒适的并且用户友好的操作、便携