一种脑电图机数据采集有效性自动分析系统及方法

1.本发明属于医疗检测领域，涉及脑电图机的具体设置、数据采集、以及数据有效性分析，是脑科学研究的具体场景之一。


背景技术：

2.21 世纪被科学界认为是生物科学和脑科学的时代，在这其中对脑科学的研究热潮吸引着众多领域的研究人员去探索和发现。研究人员主要通过较为成熟的方法和设备来记录脑细胞群自发而又有节律的活动，进而反映出大脑的活动来。脑电信号就是来自大脑这一复杂系统的生理电信号，包含着丰富的大脑状态信息，大量神经元电活动最后反映在头皮上的电位变化就称之为脑电图（electroencephalography，eeg）。脑电信号的频率范围很大，在 0 到 100hz 之间，但是与主要活动相关的频率范围在 0.5hz 到 30hz 之间。在此范围内，被划分为α波、β波、θ波和δ波四种基本波形。
3.此外，功能性近红外光学成像技术（functional near infrared imaging， fniri），是近年来愈发重要的新型脑功能测量手法。它利用对生物体穿透性高的近红外光对大脑进行无侵袭性测量。其原理是通过数个特定波长的近红外光来测量大脑皮层的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白以及总血红蛋白的含量，从而表征大脑在接受外界刺激或思维过程中不同区域的反应和功能表达。与传统的脑电图、脑磁图、功能磁共振成像等技术相比，该检测技术不仅可以实现完全无损的脑功能检测，而且还同时具备相当高的时间分辨率以及理想的空间分辨率。
4.相较于心电信号，脑电信号的测量没有绝对标准可用于对比衡量，且在一定程度上缺乏可再现性。此外，在进行脑电测量时，人类动作引起的肌电图（electromyogram：emg）、眼球运动引起的眼电图（electrooculogram：eog）、心电图（electrocardiogram：ecg）、呼吸和出汗引起的慢波（slow wave）及测量脑电波时附着的电极导致皮肤变形而产生的信号杂波（artifact）等均会对脑电信号造成影响。现有的脑电波测量手段单一，对脑电波基本波形的处理校验缺少区分度和针对性，也很少引入受试者实时反馈机制以对脑电波信号进行双重验证，这就导致脑电波数据有效性置信度不高。


技术实现要素：

5.本发明重点针对上述种种不足，提供一种脑电图机数据采集有效性自动分析系统及方法。
6.本发明提供了一种脑电图机数据采集有效性自动分析系统，包括刺激产生单元、数据测量单元、数据提取单元、数据处理单元、数据分析单元、标准数据库、综合比较单元、控制单元以及外设单元，其中，所述刺激产生单元引导受试者产生特定动作、特定状态和/或特定想法；所述数据测量单元包括脑电测量电极以及近红外光光纤传感器，所述脑电测量电极以及所述近红外光光纤传感器共用部分测量点位；
所述综合比较单元根据所述脑电测量电极与所述近红外光光纤传感器的对比结果、所述受试者的反馈结果以及所述数据分析单元与所述标准数据库的对比结果中的至少两者对所述数据采集有效性进行分析。
7.优选的，所述数据测量单元进一步还包括基座、螺母、第一螺丝、第二螺丝、第三螺丝以及弹性件，所述第一、二、三螺丝均为中空结构，所述第二螺丝头部形成有凹槽，在所述凹槽的槽壁附着所述弹性件，所述第一螺丝拧入所述第二螺丝的所述凹槽中，所述第三螺丝内外壁均设置螺纹，所述第三螺丝的外螺纹与所述螺母配合，固接于所述基座，所述第三螺丝的内螺纹与所述第二螺丝配合，以固定所述第二螺丝。
8.优选的，所述数据处理单元包括滤波器、归一化器、斜率计算器、平滑处理器、校正器。
9.优选的，所述外设单元为人体可穿戴设备，用于检测所述受试者行为模式和/或活动状态。
10.优选的，所述近红外光纤传感器的光源、探头为同轴一体结构。
11.同时，本发明还提供了一种应用于脑电图机数据采集有效性自动分析系统的自动分析系统方法，包括如下步骤：s1：测量并提取受试者在静息状态下的脑电信号；s2：使用硬件滤波器对脑电数据进行60hz陷波滤波；s3：使用小波滤波器对脑电数据进行带通滤波；s4：对脑电信号幅值进行归一化操作；s5：计算归一化脑电数据在时间轴上的斜率，定位出斜率变化大于预设阈值的部分；s6：对斜率变化大于预设阈值部分所对应的基线进行五点平滑处理；s7：计算θ波和β波的比率值；s8：将所述θ波和β波的比率值与预先存储于标准数据库的标准比率值的平均值做差，并除以预先存储于所述标准数据库的标准偏差值；s9：通过刺激产生单元提示所述受试者按照一定时间间隔交替闭眼、睁眼；s10：测量同一信道下闭眼状态的α波平均功率以及睁眼状态的α波平均功率，将二者做差，并除以预先存储于所述标准数据库的标准功率差；s11：在t1时刻通过刺激产生单元提示所述受试者准备进行预定动作，在t2时刻所述受试者执行所述预定动作，在t3时刻所述受试者结束所述预定动作；s12：分别测量t1-t2、t2-t3这两个时间段的脑电窗口（epoch）数据，其中，t1-t2、t2-t3这两个时间段时长相等；s13：将所述脑电窗口（epoch）数据分为数量相等的两组，并分别计算其平均值，将所述平均值的变化趋势与预先存储于所述标准数据库的标准变化趋势进行比较。
12.优选的，在上述步骤s9中，通过刺激产生单元提示所述受试者按照一定时间间隔交替闭眼、睁眼之后，进一步使用小波滤波器对脑电数据进行带通滤波。
13.优选的，在上述步骤s12中，分别测量t1-t2、t2-t3这两个时间段的脑电窗口（epoch）数据之后，进一步使用小波滤波器对脑电数据进行带通滤波。
14.优选的，在上述步骤s11中，通过所述外设单元检测所述受试者是否执行所述预定
动作。
15.优选的，在上述步骤s13之后，进一步包括如下步骤：s14：根据所述脑电测量电极与所述近红外光光纤传感器的对比结果、所述受试者的反馈结果以及所述数据分析单元与所述标准数据库的对比结果中的至少两者对所述数据采集有效性进行分析。
16.与现有技术相比，本发明对脑电图机数据采集有效性自动分析系统及方法进行改造，一方面引入脑电-近红外双重检测方式，并对测量单元的结构进行改进，以适应并方便实现双重检测，另一方面，优化了脑电数据预处理方式，极大的去除了杂波污染。在进行数据校验分析时，分别针对θ波和β波，以及α波制定不同的有效性分析手段，更引入刺激机制以及人工反馈机制，从数据及行为本身两个角度对有效性进行验证，在不过多增加系统负担及成本的前提下，同时实现了多种有效性验证方式，显著提高了数据采集有效性自动分析效率及结果可信度。
附图说明
17.图1为脑电图机数据采集有效性自动分析系统框架示意图；图2为本发明提出的数据测量单元结构示意图；图3为脑电图机数据采集有效性自动分析方法流程示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
19.实施例一：如图1-2所示，本发明提供了一种脑电图机数据采集有效性自动分析系统，包括刺激产生单元、数据测量单元、数据提取单元、数据处理单元、数据分析单元、标准数据库、综合比较单元、控制单元以及外设单元，其中，所述刺激产生单元引导受试者产生特定动作、特定状态和/或特定想法；所述数据测量单元包括脑电测量电极以及近红外光光纤传感器，所述脑电测量电极以及所述近红外光光纤传感器共用部分测量点位；所述综合比较单元根据所述脑电测量电极与所述近红外光光纤传感器的对比结果、所述受试者的反馈结果以及所述数据分析单元与所述标准数据库的对比结果中的至少两者对所述数据采集有效性进行分析。
20.受试者在一定状态下所呈现出的脑电波信号与由近红外光所检测的血红蛋白吸收系数具有耦合相关性，这种耦合相关性能够在大脑的额叶、顶叶体现，使得脑电、近红外光这两种测量方式的同时测量与比对分析成为可能。此外，受试者在接收到相应刺激后，需要根据该刺激做出响应，并反馈是否做出响应，这种反馈结果可被用于评估脑电数据的可靠性及有效性。在对脑电数据进行分析时，可将分析结果与标准数据进行比对，进而提高数据分析的准确度。
21.所述数据测量单元进一步还包括基座4、螺母5、第一螺丝1、第二螺丝2、第三螺丝3以及弹性件8，所述第一、二、三螺丝均为中空结构，所述第二螺丝2头部形成有凹槽，在所述凹槽的槽壁附着所述弹性件8，所述第一螺丝1拧入所述第二螺丝2的所述凹槽中，所述第三
螺丝3内外壁均设置螺纹，所述第三螺丝的外螺纹与所述螺母5配合，固接于所述基座4，所述第三螺丝3的内螺纹与所述第二螺丝2配合，以固定所述第二螺丝2。
22.第一螺丝1与弹性件8接触的部分为倒锥形结构，该种设置能够更好地挤压弹性件8，使受到纵向挤压的弹性件发生横向形变，整体向中间靠拢，进而夹紧贯穿第一、二、三螺丝中空部的光纤7。脑电测量电极片6设于螺母正下方，紧挨人体，其中心开孔，一方面用于穿过光纤7，另一方面用于连接导线。
23.所述数据处理单元包括滤波器、归一化器、斜率计算器、平滑处理器、校正器。
24.所述外设单元为人体可穿戴设备，用于检测所述受试者行为模式和/或活动状态。
25.外设单元对受试者的检测结果也可作为反馈结果的一部分，用于校正受试者在无意识状态下所做出的响应。例如，受试者在收到刺激产生单元发出的抬起右臂的指令后，无意识的动了左臂，则在受试者反馈“已抬起右臂”的情况下，外设单元同时向综合比较单元反馈“伴随有左臂动作”这一信息，在进行大样本分析时，可以针对性的排除“伴随有左臂动作”的情况，从而提高反馈精度。
26.所述近红外光纤传感器的光源、探头为同轴一体结构。
27.实施例二：如图3所示，本发明还提供了一种应用于脑电图机数据采集有效性自动分析系统的自动分析系统方法，包括如下步骤：s1：测量并提取受试者在静息状态下的脑电信号；s2：使用硬件滤波器对脑电数据进行60hz陷波滤波；s3：使用小波滤波器对脑电数据进行带通滤波；s4：对脑电信号幅值进行归一化操作；具体而言，通过从n条数据（xn）中减去平均值（μ）并除以标准偏差（ρ）来计算归一化值（xnor）。
28.s5：计算归一化脑电数据在时间轴上的斜率，定位出斜率变化大于预设阈值的部分；s6：对斜率变化大于预设阈值部分所对应的基线进行五点平滑处理；s7：计算θ波和β波的比率值；此外，还可以计算θ波和β波的耦合度，即在测量结果中一个位置处的θ波相位与另一位置处的β波振幅之间的相关性。
29.s8：将所述θ波和β波的比率值与预先存储于标准数据库的标准比率值的平均值做差，并除以预先存储于所述标准数据库的标准偏差值；将上述计算结果定义为q值，x表示θ波和β波的比率值，表示预先存储于标准数据库的标准比率值的平均值，表示预先存储于所述标准数据库的标准偏差值，则q值的计算方式为：当q值小于等于预设阈值时，则认为脑电数据的该项检测结果可信。
30.s9：通过刺激产生单元提示所述受试者按照一定时间间隔交替闭眼、睁眼；s10：测量同一信道下闭眼状态的α波平均功率以及睁眼状态的α波平均功率，将二者做差，并除以预先存储于所述标准数据库的标准功率差；当该比值处于预设范围内时，则认为脑电数据的该项检测结果可信。
31.s11：在t1时刻通过刺激产生单元提示所述受试者准备进行预定动作，在t2时刻所述受试者执行所述预定动作，在t3时刻所述受试者结束所述预定动作；在t2时刻受试者可同时反馈是否执行了所述预定动作，这种主动反馈作为反馈结果的一部分被用于评估数据采集的有效性。
32.s12：分别测量t1-t2、t2-t3这两个时间段的脑电窗口（epoch）数据，其中，t1-t2、t2-t3这两个时间段时长相等；s13：将所述脑电窗口（epoch）数据分为数量相等的两组，并分别计算其平均值，将所述平均值的变化趋势与预先存储于所述标准数据库的标准变化趋势进行比较。
[0033]33.其中，ag1是第一组的平均值，ag2是第二组的平均值，并且ai是第i次测量的脑波信号数据。当上述平均值变化趋势符合标准变化趋势时，则认为脑电数据的该项检测结果可信。
[0034]
其中，在上述步骤s9中，通过刺激产生单元提示所述受试者按照一定时间间隔交替闭眼、睁眼之后，进一步使用小波滤波器对脑电数据进行带通滤波。
[0035]
其中，在上述步骤s12中，分别测量t1-t2、t2-t3这两个时间段的脑电窗口（epoch）数据之后，进一步使用小波滤波器对脑电数据进行带通滤波。
[0036]
其中，在上述步骤s11中，通过所述外设单元检测所述受试者是否执行所述预定动作。
[0037]
预定动作的实际执行可被视为对脑中“执行预定动作”这一想法的加强，有利于正确建立想法-动作-脑电图这一关系图谱。
[0038]
其中，在上述步骤s13之后，进一步包括如下步骤：s14：根据所述脑电测量电极与所述近红外光光纤传感器的对比结果、所述受试者的反馈结果以及所述数据分析单元与所述标准数据库的对比结果中的至少两者对所述数据采集有效性进行分析。
[0039]
脑电、近红外光等多种检测方式在大脑特定区域的同时检测是对脑电数据有效性的有力验证，根据脑电不同基本波形的特点设置不同的数据处理及校验方式，并引入受试者的互动反馈机制，是对脑电数据有效性验证的有益完善。
[0040]
其余出现在第一实施例中的内容在此不再赘述，但应当理解，第一实施例与第二实施例之间在技术上是互通的，技术方案与技术特征也都是共用的，不存在任何互斥之处。
[0041]
虽然上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发
明基础上，可以对之作一些修改或改进。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明专利范围为限制，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。