用于脑健康的多模态生理评估的形成因素的制作方法
【专利说明】
[0001]相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月6日提交的临时专利申请No. 61/773，428的权益。该专利 申请的内容通过引用整体并入本申请中。
技术领域
[0003] 本发明涉及通过在系统中使用激活的任务和刺激来动态地评估个体的脑状态和 功能，从而诊断和分析脑健康。
【背景技术】
[0004] 脑和中枢神经系统正常的发挥功能对于健康的、愉快的和富有成效的生活而言至 关重要。脑和中枢神经系统的病症属于最可怕的疾病。许多神经系统病症例如中风、阿尔茨 海默病和帕金森病是不知不觉间加剧的并且是渐进的，随着年龄的增加变得更为常见。其 他病症例如精神分裂症、抑郁症、多发性硬化和癫痫发生在较年轻的年龄，并且可以在个人 的一生中持续和发展。对神经系统的突然的灾难性损害例如脑创伤、感染和中毒也可以在 任何时间影响任何年龄的任何个人。
[0005] 大多数神经系统功能障碍产生于个人的基因型、环境与个人习惯之间的复杂相互 作用，并且因此经常以高度个性化的方式呈现。然而，尽管预防性医疗日益显现出重要性， 但是用于客观评估一个人自己的神经系统之健康的便利方法尚未得到广泛普及。因此，需 要监测脑和神经系统的健康状态的新方法来用于正常健康监测、功能障碍的早期诊断、疾 病进展的追踪以及治疗药物和新疗法的发现和优化。
[0006] 与其中个体化的健康监测生物标志物例如血压、胆固醇和血糖早已成为家用检测 项的心血管病症和代谢紊乱不同，不存在脑和神经系统健康的这样便利的生物标志物。定 量神经生理评估方法例如正电子发射断层扫描(PET)、功能磁共振成像(fMRI)和神经精神 病学测试或认知测试显著的涉及操作员的专业技术、住院或基于临床的测试以及大量时间 和费用。可以适于作为神经系统功能的易得到的生物标志物来发挥更广泛作用的一种潜在 技术是:根据多个不同形式的数据的脑的多模态(multi-modal)评估，所述数据包括测量脑 生成和发送电信号之能力的脑电图（electroencephalography，EEG)。然而，正式的基于实 验室的EEG方法通常需要显著的操作者培训、笨重的设备，并且主要用于检验癫痫。
[0007] 需要替代和创新的生物标志物方法来提供可以大大提高神经学和精神病学病症 的预防、诊断和治疗的个人脑健康的定量测量。迫切需要能够获得帕金森病、阿尔茨海默 病、脑震荡和其他神经学和神经精神病学病症的生物标志物的独特的多模态设备和测试。
【发明内容】
[0008] 本发明提供用于通过捕获多个生物传感器数据流以用于评估使用者之脑健康的 系统和方法来满足现有技术中的上述需求。在一个示例性实施方案中，系统包含适于从使 用者收集生物传感器数据的多个生物传感器。所述生物传感器包括收集至少一个通道的 EEG脑波数据的有源脑波传感器，以及下列各项中的至少一种：
[0009] 加速度计和/或陀螺测试仪(gyrometer)，该加速度计和/或陀螺测试仪收集运动、 位置和稳定性数据以提供定量的稳定性和定量的平衡性测量值，
[0010] 周边感测设备(peripheral sensing device)，该周边感测设备收集神经心理数 据形式的传达反应时间和准确度信息的认知信息，该认知信息包括键盘键击、鼠标点击和/ 或触摸面板事件，
[0011]麦克风，该麦克风记录人类语音以捕获人对象在一系列任务期间对认知挑战或者 听觉刺激的语言响应，
[0012]摄像头（camera)或生物传感器，该摄像头或生物传感器记录眼运动、眼扫视和其 他生物计量学的鉴定信息(biometric identification information);
[0013] 监测心率的心率传感器，
[0014]测量动脉氧合的脉搏血氧计，
[0015]测量体温的温度传感器，以及
[0016] 测量皮肤表面皮肤电传导(galvanic skin conductance)和/或皮肤电阻抗的皮 肤电反应传感器（galvanic skin response sensor)或皮电反应传感器（electrodermal response sensor)〇
[0017] 例如结合到可弃型头带中的电子模块同时记录由多个生物传感器收集的生物传 感器数据，并且将所收集的生物传感器数据传送至服务器以用于进行处理。刺激设备还将 视觉刺激、听觉刺激、食物刺激(gastronomic stimulate)、嗅觉刺激和/或运动刺激中的至 少一种施加给使用者。在操作过程中，多个生物传感器同时测量身体对由刺激设备所施加 的刺激的响应，以用于由电子模块来进行记录。
[0018] 在一个示例性实施方案中，服务器处理从电子模块接收到的生物传感器数据以： 鉴定和表征伪影(artifact);提取候选特征以用于分类和存储和/或用于与先前获得的候 选特征进行比较；以及生成报告。服务器还可以根据所接收的生物传感器数据中提取的候 选特征来构建经提取的生物计量学表格。服务器还可以被编程成构建预测特征谱 (predictive signature)，其包括从多个生物传感器数据流中提取的候选特征。在一些示 例性实施方案中，预测的特征谱将EEG数据和认知和/或来自任意其他数据流中的数据与脑 健康、疾病和损伤的多模态特征谱(multi-modal signature)相关联。
[0019] 在另一示例性实施方案中，周边感测设备、麦克风以及摄像头或生物传感器设置 在PC、平板PC、智能电话或者定制式手持设备中，该PC、平板PC、智能电话或者定制式手持设 备被编程成通过该PC、平板PC、智能电话或者定制式手持设备的声卡和/或视觉显示器来向 使用者下达指令。PC、平板PC、智能电话或者定制式手持设备还可以被编程成向刺激设备提 供控制信号。
[0020] 本发明的另一方面是使用简单的可弃型头带和电极，以使得能够在没有人接触和 可能的污染的情况下多次使用电子模块。本发明的实施方案包括使得能够同时进行EEG和 脉搏血氧测定的耳夹或表面贴片中的光纤或光管（light pipe)。在另一实施方案中，同时 包括随EEG-起进行的温度测量。在又一实施方案中，加速度计不是用于测量头部的位置， 而是用于测量在进行平衡性和前庭任务过程中在记录EEG时表示运动和稳定性的另一生物 信号，从而使得由每个数据流提取特征包括创建任何两个时间同步的数据流之间的互相关 的可能性。
[0021] 在本发明的一个实施方案中，不使用导线，而是使用直接卡扣或者机械连接和电 连接的可重复使用之电子模块(reusable electronic module，REM)和电极的使用有助于 实现紧凑和高效的REM模块。用作可弃型物品的单通道和双通道的粘接式电极或插入到耳 夹中的插入件也是该实施方案的一部分。
[0022] 本发明的另一个实施方案使用内置的振动振荡器来在每次使用之前远程校准测 量加速度计，以保证系统和传感器的可靠性，其与施加到电子电路上的测试信号非常相似。
[0023] 本发明的另一个实施方案包括以连接至身体穿戴式电子模块的方式从人对象的 前额或者通过口腔来获取温度各种装置。在一个实施方案中，温度传感器被放置在耳道中， 同时来自同一机械单元的EEG耳夹被保持就位。
[0024] 本发明的另一些实施方案包括以由身体穿戴式REM编程的自动方式提供食物刺激 和嗅觉刺激，同时以并行和时间同步的方式记录生物信号的数据流的能力。
[0025] 另一些实施方案包括构造预测特征谱，该预测特征谱包括从多个生物信号数据流 中提取的特征以使得特征谱具有较高的灵敏度和特异性，包括类似于KD总时间和EEG相对β 功率的认知测量的使用。
[0026] 本发明还包括用于使用这样的设备来测量生物数据的方法。根据示例性实施方案 的以下描述，本发明的这些和其他特性特征对于本领域的技术人员将变得明显。
【附图说明】
[0027 ]可以参照以下附图更好地理解本发明的实施方案。
[0028]图1是示出记录单个通道的EEG的简化的基于头带之REM系统的示意图。
[0029] 图2是示出将REM安装至头带的俯视示意图，该头带示出了卡扣至头带的内侧上的 位置的有源电极。
[0030] 图3Α是示出使得能够由同一 REM和耳夹来进行EEG和脉搏血氧测定二者的基于透 射(transm i s s i on)的脉搏血氧测定耳夹的示意图。
[0031] 图3B是示出使得能够由同一 REM和耳夹来进行EEG和脉搏血氧测定二者的基于反 射的脉搏血氧测定耳夹的示意图。
[0032] 图4是可弃型耳夹插入件的示意图。
[0033]图5是在被插入耳夹之前的可弃型耳夹插入物的示意图。
[0034] 图6是可弃型耳夹已经被插入耳夹之后、准备在人对象的耳朵上使用的示意图。
[0035] 图7是用于参考REF和接地GND的双通道粘接式电极的示意图。
[0036]图8是具有替换电极放置的头带的示意图。
[0037] 图9是图8的具有替换电极放置的头带的分解视图的示意图。
[0038] 图10是具有模型头部之框架上的粘接式耳电极的头带支撑的电子模块的示意图。
[0039] 图11是使得能够观察紧邻电子模块之后的头带内侧上的有源电极的具有粘接式 耳电极的头带支撑的电子模块的示意图。
[0040] 图12是电子模块的3D正视图。
[00411图13是电子模块的3D后视图。
[0042]图14是电子模块的3D分解正视图。
[0043]图15是电子模块的3D分解后视图。
[0044]图16是电子模块的3D紧凑后视图。
[0045]图17A和图17B共同示意性地示出具有用于同时进行EEG和基于温度的测量的相邻 温度传感器的头带支撑的电子模块。
[0046]图18是包括采用可弃型护套保护的口腔插入型温度探头的REM模块的示意图。
[0047] 图19A是与REM模块接口的热敏电阻温度传感器的示意图。
[0048] 图19B是与REM模块接口的模拟温度传感器的示意图。
[0049]图20是与REM模块接口的数字温度传感器的示意图。
[0050]图21A是使用用于与REM模块接口之点IR温度传感器的耳道温度传感器的示意图。 [0051 ]图21B是与REM模块接口的点IR温度传感器的示意图。
[0052] 图22是与REM模块接口的多点IR成像传感器的示意图。
[0053] 图23是在手指周边安装的REM模块的示意图。
[0054] 图24是在手腕或脚踝周边安装的REM模块的示意图。
[0055] 图25是由REM模块控制并且向对象的口腔提供刺激的食物刺激装置的示意图。
[0056] 图26是连接至REM模块的单流体选通螺线管食物刺激装置的示意图。
[0057] 图27是连接至REM模块的多流体选通螺线管食物刺激装置的示意图。
[0058] 图28是插入患者的鼻子的并且通过REM模块控制的嗅觉刺激装置的示意图。
[0059]图29是连接至REM模块的"刮擦和嗅探(Scratch&Sniff)"嗅觉刺激装置的示意图。 [0060]图30是多模态脑健康评估系统的示意图，其包括1)REM模块，该REM模块收集经由 蓝牙被传送至平板计算机的单导联EEG脑波数据;2)周边移动计算单元(mobile computing 皿^，1〇])，该周边移动计算单元(1〇])包括传达认知数据(形式为反应时间1^和准确度）的 触屏"事件"；3)语音数据，该语音数据由内置的平板计算机麦克风记录;4)来自面朝前方的 内置摄像头或者生物传感器的图像数据，该图像数据使得能够进行生物计量学鉴定和其他 图像处理分析包括眼运动跟踪例如扫视;5)内置加速度计、陀螺测试仪和磁罗盘，该内置加 速度计、陀螺测试仪和磁罗盘使得能够评估平衡性和稳定性；以及6)另一些内置传感器，所 述其他内置传感器向系统提供其他数据流。
[0061] 图31是用于处理所收集的数据流的基于企业云的活动的示意图，其包括信号预处 理、信号处理、生物计量学特征表构造、预测分析以及报告生成。
[0062] 图32是作为服务产品/服务组合的诊断的全生命周期的示意图。
[0063] 图33是来自悬挂在线的端部并且作为悬挂摆振动的3轴加速度计的校准测量值的 图形显示。
[0064]图34是当人对象沿着办公环境内的障碍路线行走同时摆动他们的手臂时固定到 他们手腕上的3轴加速度计的图形显示。
[0065]图35是用于预测脑震荡对象与对照对象的临床诊断的EEG特征（相对β值）的逻辑 回归图和其对应的接受者工作特征曲线(R0C)的一对图形显示。
[0066]图36是与来自King-Devick测试的认知任务评分结合为一对或者与两个协变量 (年龄和性别）结合的EEG特征(相对β)的接受者工作特征曲线(R0C)的一对图形显示。
[0067]图37Α是形式为没有镜片的镜架(glasses frame)的、用以将REM支承或保持在头 部上的头带的替选形成因素 (form factor)的示意图。
[0068] 图37B是替换形成因素的示意图，该替选形成因素包括可弃型耳镜腿(temple)支 承件和可弃型鼻垫，这二者接触人并且以没有镜片的镜架形式将REM支承或保持在头部上。
[0069] 图37C是形式为没有镜片之镜架的、用于将REM支承或保持在头部上的头带的替选 形成因素的示意图，该替选形成因素具有集成导线、沿其滑动REM的通道或键以及连接颅和 乳状突起电极的装置。
[0070] 图38是支承在对象的手臂上或者围绕其腰部支承的、具有使得能够在基于休息或 睡眠的数据收集期间提供更多支承的长引线的替选REM的示意图。
【具体实施方式】
[0071] 将参照图1至图38对本发明进行详细描述。本领域的技术人员可以理解的是，本文 中关于那些附图给出的描述仅用于示例性的目的并且不意在以任何方式限制本发明的范 围。关于本发明的范围的所有问题可以通过参照所附的权利要求来解决。
[0072]
[0073] "到头皮的电极"表示包括但不限于需要下述项的那些电极:凝胶、干电极传感器、 非接触式传感器以及通过电磁装置对电势或明显的电感应电势进行测量的任何其他装置。
[0074] "监测脑和神经系统"表示包括但不限于:正常健康和衰老的监测，脑功能障碍的 早期检测和监测，脑损伤和恢复的监测，监测疾病发作、治疗的进展和针对治疗的反应;对 于治疗方法和药物治疗方法的发现和优化而言，包括但不限于：监测研究中的化合物和注 册药用剂，以及监测非法物质和在驾车、体育运动或者从事其他受管制行为时它们的存在 或对个人的影响。
[0075] 本文所使用的"药物治疗"旨在涵盖具有治疗潜在医疗效果的任何形式的治疗，其 包括但不限于:任何药用剂或治疗方法、化合物、生物制剂、医疗设备治疗、运动、生物反馈 或其组合。
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