基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法和系统.pdf

本发明公开了一种基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法及装置，方法包括以下步骤：(1)以电刺激诱发电位和无刺激条件下的脑电信号作为两类信号的模板，训练建立模式识别算法；(2)多次给予受试者不同强度电流刺激，记录受试者的脑电信号；(3)用步骤(1)得到的模式识别算法对步骤(2)记录的受试者脑电信号进行模式识别，将受试者脑电信号分为无刺激条件下的脑电信号和有电刺激条件下的脑电信号；(4)利用步骤(3)的结果计算受试者的电流刺激感觉阀值。本发明方法的应用具有客观性强、准确率高、效率好等特点。

1、  一种基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)多次给予受试者一个超过阈值电流的电刺激，同步记录受试者脑电信号，并进行叠加，得到电刺激引起的事件诱发电位；
在没有电流刺激条件下记录受试者脑电信号；
以电刺激诱发电位和无刺激条件下的脑电信号作为两类信号的模板，训练建立模式识别算法；
(2)多次给予受试者不同强度电流刺激，记录受试者的脑电信号；
(3)用步骤(1)得到的模式识别算法对步骤(2)记录的受试者脑电信号进行模式识别，将受试者脑电信号分为无刺激条件下的脑电信号和有电刺激条件下的脑电信号；
(4)利用步骤(3)的结果计算受试者的电流刺激感觉阀值。

2、  如权利要求1所述的基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法，其特征在于，步骤(2)所述的多次给予受试者不同强度电流刺激的次数为5～30次。

3、  如权利要求1或2所述的基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法，其特征在于，步骤(2)所述的多次给予受试者不同强度电流刺激的电流强度为0～10mA。

4、  如权利要求1所述的基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法，其特征在于，步骤(4)所述的计算受试者的电流刺激感觉阀值采用极限法或恒定刺激法。

5、  一种基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量系统，包括：
恒电流控制电路(3)：用于发出恒定电流；
电流刺激电极(4)：用于传导恒电流控制电路发出的恒定电流刺激受试者；
脑电电极(5)：用于采集受试者的脑电信号；
脑电放大器(6)：用于将脑电电极采集的脑电信号放大；
存储器(7)：用于存储被脑电放大器放大后的脑电信号、模式识别算法以及信号处理结果；
数据处理/控制主单元(2)：用于控制恒电流控制电路发出恒定电流以及对存储器的脑电信号进行分析处理；
显示器(8)：用于显示测量过程参数和测量结果；
测量人体电流感觉阀值时，电流刺激电极(4)给予受试者不同强度电流刺激，脑电电极(5)采集受试者的脑电信号，数据处理/控制主单元(2)利用存储器(7)中预存的模式识别算法将受试者的脑电信号分为无刺激条件下的脑电信号和有电刺激条件下的脑电信号，再根据不同条件下脑电信号所对应的电流强度的极限值计算受试者的电流刺激感觉阀值。

基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法和系统
技术领域
本发明涉及一种医学仪器，尤其涉及一种基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法和系统。
背景技术
人体对外界的感受是由感受器感觉，然后经由神经纤维传导至神经中枢系统一大脑来完成。人体皮肤的不同感觉，例如触压、振动、冷、热、痛觉等，分别由不同的感受器感受、并由不同直径的外周神经纤维传导，人体对加热信号的感受主要由最纤细的无髓鞘神C纤维来传导，感受到的致冷信号由最小的有鞘神经Aδ纤维来传导，而震动信号则由较大的有鞘神经Aβ纤维来传导。临床实验表明，5Hz，250Hz，2000Hz的正弦交流电刺激引起得神经冲动分别由三种大小的神经传导：最纤细的无髓鞘神经C纤维、较小的有鞘神经Aδ维和较大的有鞘神经Aβ维。由于这些神经分别对应着不同的感觉模式，因此，用以上频率的正弦交流电流作为刺激，可以分别评价人体这几种模式的感觉灵敏程度。
脑诱发电位是中枢神经系统在感受外界或内在刺激过程中产生的生物电活动，体感诱发电位可以用于判断体感刺激是否被大脑所感知。
中国专利申请03109874.6公开了一种人体电流感觉客观定量系统及其测量方法，以测量采用对受试者和操作者双盲的方式，由微电脑控制的电流刺激器以定量电流刺激受试者，受试者根据声光提示，将自己对刺激的主观感受由病人控制单元输入，测量系统内的微处理器系统根据受试者的输入信号，按照一种生理心理的滤波演算法，决定是否得出受试者的电流感觉阀值或给予下一次刺激以及下一次刺激的强度，经多次刺激，受试者相应过程后，人体电流感觉客观定量测试系统计算显示出受试者的神经电流感觉阀值。
但是现有技术中人体电流感觉客观定量系统及其测量方法需要受试者对刺激做出主观判断，这就使得测量带有很强的主观意识，致使准确性低，测试效率不高。
发明内容
本发明提供一种测试结果精确、效率高的基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量方法及系统。
一种基于脑电(EEG)分析的人体电流感觉阀值客观测量方法，包括以下步骤：
(1)建立模式识别算法：
多次给予受试者一个超过阈值电流的电刺激，同步记录受试者脑电信号，并进行叠加，取得电刺激引起的事件诱发电位；
在没有电流刺激条件下记录受试者脑电信号，并进行叠加取得平均脑电信号；
以电刺激诱发电位和无刺激条件下的平均脑电信号作为两类信号的模板，训练建立模式识别算法；
训练建立模式识别算法具体过程为(参见图2)，脑电信号首先经过一个3Hz的低通滤波器生成一个时间序列X；然后分别计算X与有刺激脑电模板和无刺激脑电模板的欧几里德距离X1和X2，并由X1和X2组成该脑电信号片段的特征向量；对电刺激条件下和没有电流刺激条件下的每一个脑电片均计算其特征向量，组成训练特征向量集，然后根据所采用的不同模式识别算法(如人工神经网络，支持向量机等)训练模式识别算法，从而建立有效的模式识别算法。
多次给予受试者一个超过阈值电流的电刺激中，所述的阈值电流最初一般通过经验或本领域常识确定，一般0.3～3mA左右。
(2)多次给予受试者不同强度电流刺激，记录受试者的脑电信号。
所述的不同强度电流，电流强度为0～10mA，在这里给予受试者不同强度电流刺激次数并没有严格限制，但为了提高测量精度一般次数为5～30次。次数过少难以取得合适的测量精度，过多时会引起受试者的感觉疲劳，无法提高测量精度。
(3)分析脑电信号，判断受试者是否感觉到电流刺激：
用步骤(1)得到的模式识别算法对步骤(2)记录的受试者脑电信号进行模式识别，将受试者脑电信号分为无刺激条件下的脑电信号和有电刺激条件下的脑电信号；
如果识别结果是属于无电刺激条件下的脑电信号，认为受试者没有感觉到电流刺激；
如果识别结果是属于有电刺激条件下的脑电信号，则认为受试者感觉到了电流刺激。
(4)利用步骤(3)的结果计算受试者的电流刺激感觉阀值。
计算受试者的电流刺激感觉阀值是可以采用极限法、恒定刺激法或其衍生方法计算。
所述的极限法即将刺激按递增或递减系列的方式，以间隔相等的小步变化，寻求从一种反应到另一种反应的瞬时转换点或阈值的位置；
所述的恒定刺激法即设定几个特定刺激值，每个刺激随机呈现多次，根据刺激变量引起某中反应的次数的分布求得阈值。
具体的讲可以根据感觉阀值的定义、或者以感觉到的电流刺激的电流强度最小值、或者感觉不到的电流刺激的电流强度最大值、或者感觉到的电流刺激的电流强度最小值与感觉不到的电流刺激的电流强度最大值的平均数，计算受试者的电流刺激感觉阀值。
所述的感觉到的电流刺激的电流强度最小值为步骤(3)中得到的有电刺激条件下的脑电信号中，所对应的各个电流强度中的最小值。
所述的感觉不到的电流刺激的电流强度最大值为步骤(3)中得到的无电刺激条件下的脑电信号中，所对应的各个电流强度中的最大值。
本发明还提供了一种基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量系统，包括：
数据处理/控制主单元：用于控制恒电流控制电路发出恒定电流以及对存储器的脑电信号进行分析处理，得到受试者是否感觉到电流刺激的判断结果；
恒电流控制电路：用于发出恒定电流；
电流刺激电极：用于传导恒电流控制电路发出的恒定电流刺激受试者；
脑电电极：用于采集受试者的脑电信号；
脑电放大器：用于将脑电电极采集的脑电信号放大；
存储器：用于存储被脑电放大器放大后的脑电信号、模式识别算法以及通过信号处理得到的受试者是否感觉到电流刺激的结果；
显示器：用于显示测量过程参数和测量结果；过程参数包括电流刺激大小、电流刺激波型、电流刺激持续时间和刺激间隔时间等，测量结果即为通过信号处理和计算所得到的电流感觉阈值；
测量人体电流感觉阀值时，电流刺激电极给予受试者不同强度电流刺激，脑电电极采集受试者的脑电信号，数据处理/控制主单元利用存储器中预存的模式识别算法将受试者的脑电信号将受试者脑电信号分为无刺激条件下的脑电信号和有电刺激条件下的脑电信号，再根据不同条件下脑电信号所对应的电流强度的极限值计算受试者的电流刺激感觉阀值。
本发明人体电流感觉阀值客观测量方法采用单次脑诱发电位检测技术判断电流刺激是否引发了脑诱发电位，进而判断受试者是否感觉到了该刺激，具有以下优点：
(1)与以往技术相比，不需要受试者对是否感觉到了刺激做出主观判断、更为客观。
(2)由于采取了单次脑诱发电位检测技术，与平均滤波法相比脑诱发电位检测相比，不需要对受试者多次受刺激条件下的脑电进行叠加平均处理，即可对受试者是否感觉到该刺激做出判定，可以有效地防止受试者感觉疲劳，提高测量准确性，同时可以提高检测效率。
附图说明
图1为本发明的基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量仪器系统结构框图；
图2为本发明的基于脑电(EEG)判断受试者是否感觉到刺激的模式识别算法流程图示意；
图3为采用恒定刺激法测量受试者电流感觉阈值时，刺激强度和受试者感觉到刺激次数百分比的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于脑电分析的人体电流感觉阀值客观测量系统，包括：
恒电流控制电路3：用于发出恒定电流；
电流刺激电极4：用于传导恒电流控制电路发出的恒定电流刺激受试者；
脑电电极5：用于采集受试者的脑电信号；
脑电放大器6：用于将脑电电极采集的脑电信号放大；
存储器7：用于存储被脑电放大器放大后的脑电信号、模式识别算法以及信号处理结果；
数据处理/控制主单元2：用于控制恒电流控制电路发出恒定电流以及对存储器的脑电信号进行分析处理；
显示器8：用于显示测量过程参数和测量结果。
测量人体电流感觉阀值时，
多次给予受试者1一个超过阈值电流的电刺激，同步记录受试者脑电信号，并进行叠加，得到电刺激引起的事件诱发电位；
在没有电流刺激条件下记录受试者1脑电信号；
以电刺激诱发电位和无刺激条件下的脑电信号作为两类信号的训练集，训练建立模式识别算法；
建立模式识别算法后，采用极限法测量受试者电流感觉阈值
受试者1受到总共12遍不同大小的电流刺激：6次电流由小到大，另外6次电流由大到小。刺激电流增加时，以从受试者脑电检出感受到刺激的模式停止刺激，可以得到一个电流增加时的阈值限；刺激电流减小时，以受试者脑电检出感受不到刺激的模式停止刺激，可以得到一个电流减小时的阈值限(实验结果表1所示)。这样，每遍刺激就可以得到一个阈值限，而所有阈值限的平均值即为受试者的电流感觉阈值(0.224mA)。
表1

作为另一种实施方式，建立模式识别算法后，采用恒定刺激法测量受试者电流感觉阈值。
首先设定刺激强度等级为0.15，0.17，0.18，0.19，0.23，0.26，0.28，0.30和0.35mA；每个刺激强度等级给与受试者20次刺激(刺激顺序随机分布)，同时记录刺激后的脑电；通过脑电分析，判断脑电是否呈现受试者感受到刺激的模式(实验结果如图3)。对于某一强度等级的多次刺激，经过相应的脑电分析，可以得到受试者感觉到该强度刺激的次数百分比(例如图3中0.26mA强度的20次刺激，脑电分析结果显示受试者感觉到了其中6次，所以该受试者感觉到0.26mA电流刺激的百分比是30％)，根据实验心理学感觉阈值的操作定义，阈值是50％的次数被感觉到的那个刺激强度，因此我们根据图3所示的刺激强度和受试者感觉到刺激次数百分比的关系，计算50％的次数被感觉到的刺激强度平均值0.29mA作为受试者的电流感觉阈值的测量值。