一种图形诱发电位的视觉电生理快速检测仪

本发明涉及脑机接口及中枢视觉功能检查技术领域，具体涉及一种图形诱发电位的视觉电生理快速检测仪。

背景技术：

瞬态视觉诱发电位有多种诱发方式，根据刺激方式进行分类可分为图形刺激tvep(p-tvep)和闪光刺激tvep(f-tvep)，p-tvep对视神经出现压迫性病变较为敏感，主要表现为波幅降低。此外，虽然f-vep与p-tvep相近，但前者不如后者稳定，故实际应用中以p-tvep为主。近几年来，出现了一种运用一定速率进行转换与闪烁反转的黑白棋盘格刺激范式，由该范式得到诱发电位被称为图形翻转tvep(prtvep)。高质量的prtvep由三种波形复合而成，按照波的极性进行区分，可将三种波分别命名为n75、p100和n145；在实际的临床应用中n75波幅值很小几乎难以辨认，n145波的潜伏期及波幅随机性较大，而p100因通常具有稳定的幅值和潜伏期而成为视觉疾病诊断最为常用的特征波。作为prtvep中唯一可靠的特征波，p100的波形特征可以客观的评估视觉通路的损伤部位、受损程度以及治疗效果。潜伏期及其在左右眼中的差值、幅值、绝对波形等指标是临床检测中对p100波形需要观察的主要内容。

但在实际脑电信号采集过程中，会不可避免的伴随高强度的背景噪声和随机干扰，使得记录的单次诱发tvep的信噪比极低且随机性较强，几乎无法提取与视觉通路相关的病变信息。实际采集的tvep具有非周期、信噪比较低、随机性强的信号特征，无法通过单次诱发的tvep准确提取p100波的波形特征。为了清晰的获取波形轮廓，就需要对多次诱发的信号进行叠加处理来消除随机噪声。但实际采集的信号不能完全满足前提假设条件，尽管现有的tvep提取方法中叠加平均技术的临床应用效果最佳，要想获得平滑高质量波形往往需要几十甚至上百次的刺激，极大制约实际检测的实时性。由此带来的视觉疲劳会使严重影响患者诊断的舒适度，对于视觉系统存在重大疾病的人群，较长时间的强光刺激还可能引发病情的进一步加重或者造成tvep波形畸变而造成误诊或漏诊。同时，由于缺乏自适应tvep波形提取方法，被试者常常需要长时间的检测，因此会产生严重的神经系统疲劳。另一方面，由于fhn随机共振系统的非线性特点，波形幅值将严重失真，影响了p100幅值的分析，给视觉通路的评估方面带来很多不便，难以直接投入实际应用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种图形诱发电位的视觉电生理快速检测仪，操作简单快捷，适用性强，检测波形特征明显，且比叠加平均方法速度快，准确率高。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种图形诱发电位的视觉电生理快速检测仪，包括：

1)视觉诱发范式显示模块：视觉诱发刺激范式选择方形棋盘格作为视觉刺激的基本图案，方形棋盘格被分割成大小和个数均相同的黑白格子并维持黑格子与白格子交替出现，保证棋盘格上任意时刻暗区域与明亮区域面积及每一点的刺激强度相同；

2)被试者检测模块：棋盘格视觉刺激范式在液晶显示屏上呈现；被试者坐在液晶显示器前方凝视棋盘格的翻转过程；对每个被试者进行了10-20次的重复实验，每次实验的刺激时间为8-10s，相同两次实验的时间间隔为1.5-2.5s；

3)脑电信号采集模块：使用脑电采集设备，采集电极按照10/20电极分布标准设置，参考电极(ref)位于大脑前额(fpz)，接地电极(gnd)位于单侧左耳垂(a1)；用oz、o1、o2、poz、po3、po4六个通道来记录脑电信号，各导联的采样频率为1200hz；电极与脑电采集设备的输入连接，经过放大、滤波与数模转化处理，脑电采集设备输出脑电信号数据，与数据处理模块的输入连接；在液晶显示器上安装了一个光感传感器来同步采集用于提取单次诱发的tvep的时标信号；

4)数据处理模块：采用叠加平均-fhn随机共振方法提取脑电信号数据的特征，并控制结果输出，数据处理模块输出与计算机交互界面模块的输入连接。

所述的视觉诱发范式显示模块在刺激过程中，黑白棋盘格以1hz频率进行循环转换，其转换频率根据需要进行调整。

所述的脑电信号采集模块进行单次诱发的tvep信号提取方法时，在刺激范式两种模式进行翻转变换的瞬间，光感传感器会瞬时捕捉光线变化，此时记录的光感信号会产生极性突变，即光感信号出现上升沿或下降沿，以标记黑白棋盘格的翻转时间点；如果光感信号出现上升沿，则利用同步采集的光电信号作为时标在数据集中依次提取单次诱发的tvep信号，如果没有出现上升沿，则继续扫描光感信号。

所述的数据处理模块的叠加平均-fhn随机共振方法，包括以下步骤：

第一步，叠加平均预处理：首先设定p100潜伏期和峰值因子阈值，然后叠加平均预处理，得到叠加平均信号；

第二步，fhn随机共振后处理：将得到的叠加平均信号送入到fhn随机共振模型进行随机共振处理；

第三步，fhn随机共振波形复原：

fhn随机共振模型的数学表达式为：

式中：v(t)——细胞膜电压，是一个快变量；w(t)——膜内离子浓度，是一个慢变量；a——为常数表示激励幅值，促使神经元定期点火；ε——时间参数常量，决定了神经元点火的速率，此处取值为0.01，下同；b——参数常量，值为0.15；n(t)——高斯白噪声，均值为零且自相关函数满足<n(t)n(s)>＝2dδ(t-s)；<.>——求整体均值；s(t)——输入的非周期激励信号，该微分方程组求解时采用四阶runge—kuta方法；

当a＝0.5时，令v(t)＝v(t)′+1/2，w(t)＝w(t)′-b+1/2，a＝a′-b+1/2，fhn随机共振模型被简化为以下形式：

式中：——阈值电压；b——信号幅值到阈值电压的距离；

当信号频率非常小时,粒子的运动速度为零,则近似为零，所以上式满足v(t)-w(t)＝0，即v(t)＝w(t)，且满足v(t)(1/4-v(t)²)-w(t)+at-b+s(t)+n(t)＝0简化为:

s(t)+n(t)＝v(t)³+3/4v(t)-at+b

对上式两边取均值，因为噪声的均值e[n(t)]＝0，所以得到方程:

e[s(t)]≈e[v(t)]³+3/4e[v(t)]-at+b

从统计平均意义上得到信号的反演方程，即

s(t)＝v(t)³+3/4v(t)-at+b

由反演方程提出了一个反演系统：

h(t)＝s(t)＝v(t)³+3/4v(t)-at+b

其中，v(t)为输入的信号,h(t)为输出的还原信号；

将fhn随机共振处理后的信号当成输入v输入到反演系统中，输出随机共振复原后的波形h(t)；计算机交互界面模块将最终检测结果呈现出来，反馈结果。

所述的计算机交互界面模块将数据处理模块的输出叠加次数并输出tvep波形轮廓，提取p100相关特征进行临床医学检测，实现对使用者的反馈。

本发明提出了一种图形诱发电位的视觉电生理快速检测仪，操作简单快捷，适用性强，检测波形特征明显，且数据处理方法比常用的叠加平均方法速度快，准确率高，显示了如下优点：

(1)本发明将叠加平均方法与fhn随机共振方法进行融合，不仅避免了长时间接受相同的视觉刺激，引发病情的进一步加重或者造成tvep波形畸变而造成误诊或漏诊，而且能获得高质量的波形轮廓用于临床实践。

(2)本发明优化了fhn随机共振快速提取方法，只需要输入所需的tvep原始信号，就可以实现tvep波形特征的快速提取，自适应输出叠加次数n并获取高质量tvep波形轮廓，提取p100相关特征进行临床医学检测。

(3)本发明采取的fhn随机共振信号复原方法，不仅在信号波形上与原始波形高度相关，而且突显了p100的幅值且波动范围小。

附图说明

图1是本发明检测的示意图。

图2是以光感信号为时标提取单次瞬态视觉诱发电位。

图3是两组单次诱发tvep时域波形图。

图4是本发明叠加平均-fhn随机共振方法的流程图。

图5是叠加平均次数为10、20、40、80次下的tvep波形图。

图6是叠加平均次数为10次、20次、40次、80次时叠加平均-fhn随机共振技术提取的效果图。

图7是叠加平均方法与叠加平均-fhn随机共振方法峰值因子指标对比图。

图8是fhn随机共振信号复原方法下非周期仿真信号x＝5exp(-0.2*t)cos(2*pi*t)复原效果图。

图9是叠加平均次数为10，20，40，80时叠加平均方法与叠加平均-fhn随机共振信号复原方法tvep波形对比效果图。

图10是叠加平均方法与叠加平均-fhn随机共振方法下八个使用者达到峰值因子阈值所需要的叠加次数。

图11是利用使用者被采集瞬态诱发电位自适应提取效果图。

图12是以tvep波形叠加平均80次后的潜伏期和幅值为真值，分别做八个使用者的数据分成10、20、40次叠加平均和叠加平均-fhn随机共振处理后潜伏期和幅值的分布图。

图13是以tvep波形叠加平均80次后的潜伏期和幅值为真值，分别做八个使用者的数据分成10、20、40次叠加平均和叠加平均-fhn随机共振处理后的潜伏期和幅值的平均值和方差图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步的详细说明。

一种图形诱发电位的视觉电生理快速检测仪，包括：

1)视觉诱发范式显示模块：参照图1，视觉诱发刺激范式选择方形棋盘格作为视觉刺激的基本图案，方形棋盘格的边长为200个像素点，被分割成大小和个数均相同的黑白格子并维持黑格子与白格子交替出现，保证棋盘格上任意时刻暗区域与明亮区域面积及每一点的刺激强度相同；刺激过程中，黑白棋盘格以1hz频率进行循环转换，其转换频率根据需要进行调整；

2)被试者检测模块：视觉诱发范式显示模块在安静且明亮的房间内进行，由matlab和psychophysics工具箱开发的棋盘格视觉刺激范式在27英寸液晶显示屏(像素分辨率为1920*1080、屏幕刷新率为144hz)上呈现；被试者坐在液晶显示器前方70厘米的椅子上并被要求精力集中的凝视棋盘格的翻转过程；为了保证数据的有效性，对每个被试者进行了10次的重复实验，每次实验的刺激时间为8s，相同两次实验的时间间隔为2s；

3)脑电信号采集模块：使用g.usbamp(g.tecinc.,austria)脑电采集设备，采集电极按照10/20电极分布标准设置，参考电极(ref)位于大脑前额(fpz)，接地电极(gnd)位于单侧左耳垂(a1)；用oz、o1、o2、poz、po3、po4六个通道来记录脑电信号，各导联的采样频率为1200hz；电极与脑电采集设备的输入连接，经过放大、滤波与数模转化处理，脑电采集设备输出脑电信号数据，与计算机内的数据处理模块的输入连接；参照图2、图3，单次诱发的tvep信号提取时，为了精确获取每次视觉刺激的起始点，在液晶显示器的左下角安装了一个光感传感器来同步采集用于提取单次tvep的时标信号；在刺激范式两种模式进行翻转变换的瞬间，光感传感器会瞬时捕捉光线变化，此时记录的光感信号会产生极性突变，即光感信号出现上升沿或下降沿，以标记黑白棋盘格的翻转时间点；如果光感信号出现上升沿，则利用同步采集的光电信号作为时标在数据集中依次提取单次诱发的tvep信号，如果没有出现上升沿，则继续扫描光感信号，利用光感时标信号的上升沿和下降沿标记黑白棋盘格的两种模式进行翻转的时刻，其相邻下降沿与上升沿对应的时间段即为一次tvep信号的诱发时间，从而获得需要的单次tvep波形图；

4)数据处理模块：采用叠加平均-fhn随机共振方法提取脑电信号数据的特征，并控制结果输出，叠加平均-fhn随机共振方法为了更快地得到准确的tvep波形中p100的潜伏期，和特征轮廓更明显的波形；还原被fhn随机共振处理后幅值变异的波形，输出p100波的幅值特征；数据处理模块输出与计算机交互界面模块的输入连接；

参照图4、图5、图6、图7，所述的叠加平均-fhn随机共振方法，包括以下步骤：

第一步，叠加平均预处理：首先设定p100潜伏期和峰值因子阈值，然后叠加平均预处理，进行随机噪声的初步抑制，得到叠加平均信号；

第二步，fhn随机共振后处理：经过fhn随机共振处理后的tvep波形图虽然在波形上能有效凸出有效信息，但幅值上有着很大程度的失真，无法投入实际应用；将得到的叠加平均信号送入到fhn随机共振模型进行随机共振处理，利用随机噪声来增强非周期的tvep，以突显有用信号的波形轮廓；

第三步，fhn随机共振波形复原：

fhn随机共振模型的数学表达式为：

式中：v(t)——细胞膜电压，是一个快变量；w(t)——膜内离子浓度，是一个慢变量；a——为常数表示激励幅值，促使神经元定期点火；ε——时间参数常量，决定了神经元点火的速率，此处取值为0.01，下同；b——参数常量，值为0.15；n(t)——高斯白噪声，均值为零且自相关函数满足<n(t)n(s)>＝2dδ(t-s)；<.>——求整体均值；s(t)——输入的非周期激励信号，该微分方程组求解时采用四阶runge-kuta方法；

当a＝0.5时，令v(t)＝v(t)′+1/2，w(t)＝w(t)′-b+1/2，a＝a′-b+1/2，fhn随机共振模型被简化为以下形式：

式中：——阈值电压；b——信号幅值到阈值电压的距离；

当信号频率非常小时，粒子的运动速度为零，则近似为零，所以上式满足v(t)-w(t)＝0，即v(t)＝w(t)，且满足v(t)(1/4-v(t)²)-w(t)+at-b+s(t)+n(t)＝0简化为：

s(t)+n(t)＝v(t)³+3/4v(t)-at+b

对上式两边取均值，因为噪声的均值e[n(t)]＝0，所以得到方程：

e[s(t)]≈e[v(t)]3+3/4e[v(t)]-at+b

从统计平均意义上得到信号的反演方程，即

s(t)＝v(t)³+3/4v(t)-at+b

由反演方程提出了一个反演系统：

h(t)＝s(t)＝v(t)³+3/4v(t)-at+b

其中，v(t)为输入的信号，h(t)为输出的还原信号；

参照图8、图9，将fhn随机共振处理后的信号当成输入v输入到反演系统中，检测p100潜伏期是否在阈值内和p100峰值因子是否大于阈值，最后提取p100波形相关特征，输出随机共振复原后的波形h(t)；计算机交互界面模块将数据处理模块的输出叠加次数并输出tvep波形轮廓，提取p100相关特征进行临床医学检测，实现对使用者的反馈。

下面再结合实施例对本发明进行说明。

采用本发明对8名正常使用者(5男，3女，均为20-26岁)进行实验，参照图10、图11，以峰值因子为适应度函数，八个使用者用叠加平均-fhn随机共振方法所需要的叠加次数比常用的叠加平均方法次数大大减少。以单次获取的tvep波形叠加平均80次后的潜伏期和幅值为真值，分别做八个使用者的数据分成10、20、40次叠加平均和叠加平均-fhn随机共振处理后的潜伏期和幅值的分布图，参照图12。同时，做上述八个使用者所有数据潜伏期和幅值的平均值和方差图，参照图13，显示出叠加平均-fhn随机共振方法能更快、更准确地得到p100的潜伏期，而且fhn随机共振后处理能更有效地突显p100的幅值，且波动范围小。

本发明能够从视觉中枢神经出发，应用脑机接口技术，实现tvep波形特征快速提取和信号复原，为相关图形诱发电位的视觉电生理快速检测提供了有效的手段。