从eeg分析预测物质如皮质醇的水平的制作方法

从eeg分析预测物质如皮质醇的水平的制作方法
【专利摘要】一种从EEG数据预测物质水平的方法，包括步骤：分析EEG数据以获得用于多个预定频带的每一个的平均功率，从推导的用于每个频带的平均功率计算合并数值，所述合并数值是按照预定顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个频带的平均功率计算的，和从方程Y=bX+C获得激素水平的估计值，其中Y是待预测的物质，X是合并数值且b和C是常数。在一个实施方式中，物质是皮质醇并且合并数值是比率θ/α/δ/SMR。
【专利说明】从EEG分析预测物质如皮质醇的水平
【技术领域】
[0001]本文所描述的实施方式一般地涉及用于测量激素、神经递质、生物标志物等的水平的方法和装置的领域。
【背景技术】
[0002]目前用于测量激素水平的技术是从血液或唾液样品中提取。由唾液样品可以测量游离皮质醇水平，其与血液皮质醇水平成正比。以往的研究显示EEG特征与皮质醇之间的关联指示具有高皮质醇水平和低皮质醇水平的受试者。
[0003]皮质醇与各个身体系统(如压力、运动、饥饿、睡眠)相关联并且响应于恐惧而释放；其是一种具有许多连锁效应的激素。典型地，由血液或唾液样品(发现其与血液皮质醇水平显著相关)测量皮质醇水平。当前的测量激素的方法的原则性挑战是从血液、唾液或尿液样品获得结果的延迟。获得皮质醇测量的当前方法回顾采集的时间，意味着在采集或存储中的任何误差都会影响由该样品测量的皮质醇水平的提取，另外此种误差仅能回顾性检测，从而造成具有额外费用的重复测量和测试。其他问题是这些生物样品的存储和运入实验室以及从实验室运出。这些实际问题限制了只有在绝对需要的情况下应用激素测量，而其本来可以在用于提高诊断或研究领域的决策树(decision tree)中。
[0004]定量EEG (qEEG)技术包括对于给定频带的功率(power)及相关的头皮地形图(scalp topographic map)的计算。在过去三十年中，这样的技术已被用来说明、诊断和研究神经心理学状态如抑郁症、酒精中毒、精神分裂症或认知功能如注意障碍、记忆，并且广阔地用于诊断癫痫。
[0005]以往的研究已经探索了亦或皮质醇与压力的神经心理测量之间的关系亦或者压力测量(如行为抑制规模)与EEG活动之间的关系。许多这些研究的结果徘徊在这些关系的类似说明上，其重复地论证δ频带(1-3Ηζ，也归类为慢波)和β频带(15-25ΗΖ，认为是快波活动)的振幅之间的相关性。当β频率和S频率两者一起增加或降低时使用术语“耦合”，显示了相干性。β-S耦合反映了脑中增加的跨区域的串扰(inter-regionalcross-talk),其表示了行为抑制和焦虑量表(anxiety scale)的高或低压力相关指数，其反过来使皮质醇水平与S频率和β频率的耦合活动相关，原因在于皮质醇还涉及到通过行为抑制和焦虑量表测量的压力。这进一步得到了 Schutter和Van Honk神经内分泌学研究的支持(Schutter, D.J.L.G., Van Honk, J., 2004.Decoupling ofmidfrontal delta - beta oscillations after testosterone administration.1nt.J.Psychophysiol.53，71 - 73),其证明在给予睾酮(皮质醇的拮抗剂)后的β-δ去率禹合，皮质醇的拮抗剂，即低皮质醇水平与缺乏β-S耦合相关联；称为‘去耦合’。在低皮质醇组的受试者组中发现β-S去耦合而在高皮质醇的受试者组中发现β-S耦合。Van Peer 等的最近的研究(Van Peer, J.Μ., Roelofs.K., Spinhoven.P., 2008.Cortisoladministration enhances the coupling of midfrontal delta and beta oscillations.1nt.J.Psychophysiol.67，144-150)通过将不同剂量的口服形式的皮质醇给予至参与者显示了皮质醇对δ频带(1-4Ηζ)和β频带(14-33Ηζ)的直接影响，并且比较了皮质醇给予之前和之后的他们的EEG中的改变。结果显示增加剂量的皮质醇在中间前部区域(FZ)产生β-S耦合，这进一步支持EEG图谱的β-δ活动与皮质醇之间的关系。这些研究表明EEG活动与激素的密切关系，表面使用EEG数据来预测激素水平的测量的潜力。
[0006]本发明的实施方式试图至少部分地解决这样的问题:提供一种用于测量体内激素水平的非侵入性测量技术。

【发明内容】

[0007]第一方面，本发明提供一种从EEG数据预测物质水平的方法，其包括下列步骤:
[0008]分析EEG数据以获得用于多个预定频带中的每一个的平均功率；
[0009]从为每个频带推导出的平均功率计算一个数值，该数值是根据预定的顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个频带的平均功率来计算的；和
[0010]从以下方程获得激素水平的估计值:
[0011]Y=bX+C
[0012]其中Y为待预测的物质水平，X为所述数值且b和C为常数，其中所述物质选自激素、神经递质和生物标志物。
[0013]所述EEG数据可以采集自任意数量的通道和位置，从所述通道和位置推导相关的频带，并且将该EEG数据用于计算以预测激素水平、神经递质和生物标志物。在一个实施方式中，从至少两个电极位置处采集EEG数据。可以通过无伪象(artefact free)EEG数据的快速傅立叶变换或记录采集的 EEG数据获得平均功率图谱。
[0014]在一个实施方式中，将该方法应用到已经预先记录的EEG数据上。在进一步实施方式中，该方法进一步包括测量EEG数据。可以测量数据至少30s。
[0015]在一些实施方式中，值为根据预定的顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个频带的平均功率获得的比率。
[0016]在一个实施方式中，频带选自δ (delta)、Θ (theta)、a (alpha)、β (beta)、smr、高β和Y (gamma)0典型地，这些频带包括如下频率范围:确切的界限变化但是一般的频带为:δ 1-3Ηζ ； Θ 3-7hz ； a 7-llhz ； β ll_25hz ；smrl5-19hz ;高 β 20_30hz 以及 y 35hz+。
[0017]在一个实施方式中，预定频带是在任何可测量的介质(如血液、尿液或唾液)中与待测量物质的增加或降低的水平具有相关性的频带。
[0018]可以通过从数据库等中检索这种信息来获得这些频带，因为这种信息对于特定的物质应该是相同的。在进一步的实施方式中，方法进一步包括通过如下来测定预定频带:
[0019]针对多个物质水平测量用于多个频带的平均功率，和选择显示出与提高或降低的物质水平具有相关性的频带。
[0020]对于相同的物质，如何将平均功率组合以计算数值或比率也将是相当恒定的，因此可以保存该信息并且在需要时检索。在进一步的实施方式中，方法进一步包括通过如下来确定应该如何计算比率:
[0021]针对多个物质水平测量用于预测频带的平均功率；
[0022]计算多个比率或数值，其中每个比率或数值都是通过改变如何将频带的平均功率相组合来计算的；和[0023]将针对每个物质水平的多个计算的比率或数值对物质水平绘图，并且选择提供最接近直线的曲线的比率。
[0024]在进一步的实施方式中，改变预定频带的界限以查看是否能够实现更好的直线相关性。
[0025]比率是作为单一定量值的相关频带的功率的关系的表达，发现该单一定量值与激素、神经递质或生物标志物相关联。
[0026]类似地，对于相同的物质常数b和C可能是相同的并且因此无需对相同物质的每次测量都进行推导。但是，在进一步的实施方式中，方法包括通过如下测量常数b和C:
[0027]针对多个物质水平测量用于预测频带的平均功率；
[0028]将各个物质水平的比率对物质水平进行绘图，对绘图进行直线拟合并推导b和C。
[0029]在进一步的方面中，本发明提供一种用于从EEG数据预测物质水平的装置，该装置包括处理器，该处理器配置用于:
[0030]接收EEG数据；
[0031]分析所述EEG数据以获得用于多个预定频带中的每一个的平均功率；
[0032]从推导的用于每个频带的平均功率计算出一个数值，数值是根据预定的顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个 频带的平均功率来计算的；和
[0033]从如下方程获得激素水平的估计值:
[0034]Y=bX+C
[0035]其中Y为待预测的物质水平，X为比率并且b和C是常数，其中物质选自激素、神经递质和生物标志物。
[0036]在进一步的实施方式中,物质是皮质醇。此处，预定频带是θ、α、δ和SMR频带。在一个实施方式中，它们是以Θ/α/δ/SMR的顺序相除的，以使通过使Θ和SMR频率的平均功率相乘并且将其除以δ和α频率的平均带功率的相乘值(multiplication)来获得比率。
[0037]然而，该方法可以用于许多不同的物质，包括激素(如皮质醇、睾酮等)和神经递质、生物标志物等。
[0038]根据本发明的实施方式的方法，提供了一种从EEG数据测量激素水平的方法。在一个实施方式中，EEG数据的记录应当优选地持续至少两分钟。处理此数据以获得用于在计算中使用的δ、θ、α和smr频带的平均功率以生成单值或合并比率(amalgamatedratio)。将此合并比率输入到回归线公式中以预测唾液皮质醇水平，其从开始记录起计在约20分钟时是最准确的。
[0039]用适合的计算机化的算法处理从放置在头皮上的FZ处的电极处获得的EEG测量结果以得到用于δ频带、Θ频带、α频带和smr频带的平均功率,在这种情况下，TruscanEEG-NFB系统具有内置的快速傅立叶变换(FFT)软件以获得所需的用于每个频带的平均功率来计算唾液皮质醇水平。用FFT处理EEG数据的无伪象部分，这一般是在50Hz上的全部活动，从而消除电噪音或来自其他来源的噪音。计算用于每个相关频带的平均功率的比率以提供单一的合并数值。为了从此数值预测唾液皮质醇水平，将其输入到在研究阶段当将比率对皮质醇的实际测量结果绘图时发现的回归公式中。这种预测的测量是准确地，其中对于在EEG基线采集后的约40分钟的操作窗口，r在0.068至0.073之间。[0040]根据本发明的实施方式的方法包括下列步骤:
[0041]1.在至少两分钟的最短时间段内记录基线EEG数据，优选地其中受试者已经被禁止消耗任何食品、饮料、药品或禁止参与任何形式的运动。
[0042]2.对EEG数据的无噪音部分进行FFT，该EEG数据的无噪音部分来自于相对于参比电极的每个电极通道，在频率范围/带上的一系列频率点处计算频带功率。
[0043]3.通过计算在一个或多个头皮电极处的平均功率(在每个频率点处)来计算平均头皮功率谱图。
[0044]4.计算每个相关频带的平均功率的比率以提供单一的合并数值，并且将其作为‘X’输入到回归线方程中以找到预测的唾液皮质醇水平。
[0045]分别地，δ(l_4hz)、Θ (4_7hz)、a (7_12hz)和 smr (12_19hz)频带的合并功率比率的降低指示低水平的唾液皮质醇,高的合并功率比率指示高水平的唾液皮质醇。将计算出的合并功率比率代入到推导的回归线公式中提供了预测的唾液皮质醇的水平，其中r=0.73, p=0.01。
[0046]从获得的EEG数据测量皮质醇的主要优点在于其提供了几乎实时测量。第二，使用EEG数据测量体内激素水平的方法避免了提取任何生物样品或侵入性步骤。这些特征使得能够即时测量激素和从同一 EEG记录中测量多种激素以及即时地重复测量，这解决了当前测量生物系统中激素水平的方法的时间迟滞问题。使用从获得的EEG数据的测量推导出的这种方法实现了即时结果、重复测量和多于一种激素的即时结果和重复测量。具有任何激素的即时测量的益处通过进一步通知临床医师而促进改善诊断。另外，可以从不一定显示必须做激素检测的受试者获得额外的激素测量。体内激素水平的信息是重要的，因为它们组成了与大多数病症(disorder)相关的调节系统，病症如果不是起初则最终反映激素水平方面的某些异常。该装置可以被·包括在常态检查程序中，从而能够在早期阶段捕获不明显的疾病/病症，产生更精确的诊断。
[0047]在本发明的实施方式中，上文所描述方法作为智能手机应用(smart phoneapplication)而实施。在实施方式中，可以使用通过无线连接(如蓝牙)连接至智能手机或计算机的EEG头戴式耳机来测量EEG数据。在这种配置中，应用或软件处理接收的数据并且不需要有线连接至EEG捕获装置。本发明的实施方式具有去除了由于与EEG捕获装置有线连接导致的移动限制的优势。另外，此类系统需要较短的时间来组装并且轻质且易于使用。
[0048]此类应用可以通过因特网将结果发送至服务器并且可以可操作地产生随着时间或其他变量的报告。
[0049]设想了这样的实施方式，其中将EEG数据发送到服务器以远程处理和分析。这种实施方式允许远程处理。
【专利附图】

【附图说明】
[0050]现在将参照下列非限制性实施方式来描述本发明，其中:
[0051]图1为示出根据本发明的实施方式的方法的流程图；
[0052]图2为示出用于测定在参照图1的方法中使用的参数的方法的流程图；
[0053]图3为对于各受试者，将取自唾液样品的皮质醇水平对计算出的合并功率比率绘图得到的曲线图；
[0054]图4为各受试者的实际测量的皮质醇水平对各受试者的预测测量的曲线图；
[0055]图5为在根据本发明实施方式的装置中使用的硬件的示意图；
[0056]图6为在根据本发明的实施方式中使用的硬件的示意图，该实施方式作为智能手机应用实施；以及
[0057]图7为示出根据本发明的实施方式的方法的流程图，该实施方式作为智能手机应用实施。
【具体实施方式】
[0058]图1为示出根据本发明的实施方式的方法的流程图的示意图。在步骤SlOl中，进行受试者的EEG测量。在步骤S103中，在预定频带上分析EEG数据。该分析可以与测量EEG的同时进行或者该分析可以离线进行。
[0059]有许多可以分析的频带。典型地，预定频带将选自已知的δ、θ、α、β、SMR、高β和Y频带。选择哪个频带将取决于待测量的物质。图2将解释用于选择用于特定物质的频带的方法。一旦对于特定物质已经测定了频带，它们可以用于该特定物质的所有分析。
[0060]在一个实施方式中，在步骤S103中从完全确定的频带中选择频带。但是，如将参照图2所描述的，这些频带中的一些变化也是可能的。
[0061]接下来，在步骤S105中计算用于各个预定频带的平均功率。计算用于频带的平均功率是熟知的技术并且 可以使用已知的FFT技术来进行。
[0062]接下来，从在步骤S105中计算出的平均功率确定单一比率。将通过对平均功率做除法(by dividing the average powers)来确定比率。然而，比率取决于其中对平均功率做除法的顺序而不同。其中对平均功率做除法的顺序是预定的并且将参照图2进行说明。一旦已经确定顺序，可以将其保存并且当实施方法步骤S107时进行查询。
[0063]最后，在步骤S109中，使用在步骤S107中推导出的比率并通过下述方程计算物质水平:
[0064]Y=bX+C
[0065]其中b和C是用于特定物质的可以查询的常数。将参照图2来描述如何推导出这些常数。X是在步骤S107中推导出的比率而Y是待测定的物质水平。
[0066]在图1中描述了一种方法，其中确定了预定频带、平均功率应当组合的顺序以及用于预测物质水平的常数。一旦已经确定了这些变量，可以将它们保存并且当该设备需要用来进行具体物质的分析时进行读取。
[0067]图2概述了用于测量这些变量的方法。典型地，该方法需要对多个受试者进行测量。在一个特定的实施方式中，使用了至少100个受试者。
[0068]在步骤S201中对多个受试者进行EEG测量。
[0069]在该特定的实施例中，将在步骤S203中使用侵入性技术每隔η分钟对每个受试者进行测量待测定的物质水平。例如，如果物质水平(例如皮质醇)是从唾液中测量的，可以每隔5分钟取一次唾液样品。也可以从体内的其他液体(例如血液、尿液等)中测量物质水平。
[0070]每个受试者将具有不同的物质水平。因此，通过采用来自多个受试者的测量结果，能够获得对于一系列不同物质水平的各频带的平均频率功率。在步骤S205中进行绘图。在这一点上可以看出，一些频带将随着变化的物质水平而变化。例如，随着增加的物质水平，平均功率也会增加，或者随着物质水平的降低，平均功率会增加。然后在步骤S207中选择其中平均功率随物质水平变化而变化的频带。示出在它们的行为上出对物质水平的依赖性的频带将根据物质而变化。
[0071]然后在图1的方法的步骤S103中将这些频带用作预定频带。在步骤S203中，说明了每隔η分钟采集一次物质水平。当在步骤S205中对平均频率进行绘图时，对采集物质水平的每个时间点产生不同的曲线图。物质水平将随时间而变化。例如，认为在EEG读数后的20min测量的唾液中的物质水平将与在EEG读数期间测量的物质水平相对应。这是因为存在在脑中测量的结果滤过到唾液中所花费的时间上的延迟。
[0072]将在步骤S205中计算出的用于预定频带的平均功率做除法。其中对功率水平做除法和相乘的顺序是重要的，因为该顺序会影响结果。
[0073]例如，如果存在三个功率水平A、B、C-它们可以被如下组合:
【权利要求】
1.一种从EEG数据预测物质水平的方法，包括步骤: 分析EEG数据以获得用于多个预定频带的每一个的平均功率； 从推导用于每个频带的所述平均功率计算数值，所述数值是按照预定顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个频带的所述平均功率计算的；和从以下方程获得激素水平的估计值:
Y=bX+C 其中Y是所述待预测的物质水平，X是所述数值且b和C是常数，其中所述物质选自激素、神经递质和生物标志物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数值是由根据预定顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个频带的所述平均功率得到的比率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述频带选自δ、θ、α、β、.、高β和Y O
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物质是皮质醇。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定频带是θ、α、δ和SMR频带。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述频带是以θ/α/δ/SMR的顺序来相除的。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括测量所述EEG数据。
8.根据权利要求7所述`的方法，其中，所述数据测量持续至少30s。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述EEG数据是从至少两个电极位置采集的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定频带是与所述待测量的物质的增加或降低的水平具有相关性的频带。
11.根据权利要求1、9和10中任一项所述的方法，进一步包括通过如下确定预定频带: 测量用于多个物质水平的多个频带的平均功率并且选择显示出与增加或降低的物质水平的相关性的频带。
12.根据权利要求1、9、10或11中任一项所述的方法，进一步包括通过如下确定应当如何计算所述数值: 测量用于多个物质水平的所述预定频带的所述平均功率； 计算多个数值，其中通过改变如何组合所述频带的所述平均功率计算每个数值；和将对于每个物质水平的多个计算的数值对物质水平绘图，并且选择提供最接近于直线的所述比率。
13.根据权利要求1、9、10、11或12中任一项所述的方法，进一步包括通过如下确定常数b和C: 测量用于多个物质水平的所述预定频带的所述平均功率； 将对于每个物质水平的所述数值对物质水平进行绘图，直线拟合所述绘图并且推导b和C。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括改变所述预定频带的边界以获得至直线的更好的相关性。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括通过无线连接接收所述EEG数据。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括接收来自用户的输入，所述输入指示至少一种物质，所述物质的水平是待预测的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括搜索所述常数b和C的值。
18.一种载体介质，包含计算机可读指令，所述指令被配置用于使所述计算机执行所述指令以实施前述权利要求中任一项所述的方法。
19.一种用于从EEG数据预测物质水平的装置，所述装置包括处理器，所述处理器被配置以: 接收EEG数据； 分析所述EEG数据以获得用于多个预定频带的每一个的所述平均功率； 从推导用于每个频带的所述平均功率计算数值，所述数值是按照预定顺序通过相除和/或相乘来组合用于每个频带的所述平均功率计算的；和从以下方程获得激素水平的估计值:
Y=bX+C 其中Y是所述待预测的物质水平，X是所述比率且b和C是常数，其中所述物质选自激素、神经递质和生物标志物。`
【文档编号】A61B5/145GK103796581SQ201280034721
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年7月11日 优先权日:2011年7月11日
【发明者】克里希纳·甘地 申请人:克里希纳·甘地