隱藏式耳周腦電圖檢測(cè)系統(tǒng)概述

隱藏式耳周腦電圖檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)源于解決聽(tīng)力受損者在“雞尾酒會(huì)”等復(fù)雜聽(tīng)覺(jué)場(chǎng)景中難以聚焦目標(biāo)說(shuō)話者的難題。傳統(tǒng)腦電圖（EEG）技術(shù)雖能通過(guò)解碼大腦信號(hào)識(shí)別注意力指向，但其笨重的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制了日常應(yīng)用。為此，本研究探索了一種名為cEEGrid的創(chuàng)新解決方案，如圖1A（cEEGrid佩戴實(shí)物示意圖） 所示，它是一個(gè)C形的柔性電極陣列，能隱蔽地佩戴于耳周。該系統(tǒng)與無(wú)線放大器協(xié)同工作，構(gòu)成了一個(gè)便攜、舒適的用戶友好型腦電采集系統(tǒng)，其核心優(yōu)勢(shì)在于在保持可接受信號(hào)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)了前所未有的隱蔽性與佩戴舒適度，為未來(lái)開(kāi)發(fā)能與助聽(tīng)器無(wú)縫集成的腦機(jī)接口（BCI）奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 cEEGrid系統(tǒng)構(gòu)成與空間定位示意圖

圖1包含三個(gè)子圖，全面介紹了cEEGrid的基本形態(tài)和空間關(guān)系。圖1A:cEEGrid佩戴實(shí)物示意圖。圖1B:cEEGrid電極布局與編號(hào)圖。圖1C:cEEGrid與帽式EEG電極3D空間位置對(duì)比圖。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頭部模型上，將cEEGrid電極（粉色點(diǎn)）與傳統(tǒng)的84通道帽式EEG電極（青色點(diǎn)）共同呈現(xiàn)，清晰揭示了兩者在頭皮上的相對(duì)空間位置，凸顯了cEEGrid覆蓋范圍集中于耳周的特點(diǎn)。

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隱藏式耳周腦電圖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵說(shuō)明

該研究的核心在于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?duì)比新興的cEEGrid系統(tǒng)與傳統(tǒng)高密度帽式EEG的性能。為確保對(duì)比的公平性與準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)采用了精密的同步數(shù)據(jù)流方案，如圖2（雙EEG系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)流圖）所示。在該方案中，cEEGrid（耳周EEG） 與84通道帽式EEG被同步記錄：cEEGrid信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸，而帽式EEG通過(guò)有線方式傳輸，兩者與刺激標(biāo)記信號(hào)共同通過(guò)Lab Streaming Layer (LSL) 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，并整合為單一數(shù)據(jù)文件。這套關(guān)鍵的技術(shù)流程確保了后續(xù)所有分析中，兩種系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)在時(shí)間上完全同步，從而能夠精確評(píng)估cEEGrid在目標(biāo)說(shuō)話者檢測(cè)任務(wù)中的真實(shí)潛力與性能邊界。

圖2 雙EEG系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)流圖

圖2以清晰的框圖形式，描繪了整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)架構(gòu)。它展示了刺激呈現(xiàn)計(jì)算機(jī)（通過(guò)Psychophysics工具箱）、cEEGrid無(wú)線藍(lán)牙采集系統(tǒng)、帽式EEG有線采集系統(tǒng)這三路數(shù)據(jù)，如何通過(guò)Lab Streaming Layer (LSL) 中間件進(jìn)行時(shí)間同步與整合，并最終記錄為一個(gè)統(tǒng)一的.xdf數(shù)據(jù)文件，是理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同步性與可靠性的關(guān)鍵。

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隱藏式耳周腦電圖檢測(cè)系統(tǒng)電極設(shè)計(jì)說(shuō)明

cEEGrid系統(tǒng)的卓越性能離不開(kāi)其專為耳周區(qū)域優(yōu)化的電極設(shè)計(jì)。如圖1B（cEEGrid電極布局與編號(hào)圖）所示，每個(gè)陣列包含10個(gè)Ag/AgCl柔性印刷電極，以C形緊密環(huán)繞耳廓布局。電極編號(hào)為L(zhǎng)1-L8（左耳）和R1-R8（右耳），其中R4a和R4b分別作為系統(tǒng)的地和參考電極。圖1C（cEEGrid與帽式EEG電極3D空間位置對(duì)比圖）進(jìn)一步在三維空間展示了cEEGrid電極（粉色）與帽式EEG電極（青色）的相對(duì)位置，清晰揭示了其覆蓋區(qū)域緊鄰負(fù)責(zé)聽(tīng)覺(jué)處理的顳葉皮層。這種基于耳周解剖結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計(jì)，通過(guò)雙面膠固定和導(dǎo)電凝膠，確保了即使在部分有毛發(fā)的皮膚區(qū)域也能獲得穩(wěn)定、可靠的腦電信號(hào)。

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臨床研究

研究方法

本研究招募了20名正常聽(tīng)力參與者，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中需要同時(shí)聆聽(tīng)兩位男性說(shuō)話者講述的故事，并始終注意其中指定的一個(gè)目標(biāo)。在整個(gè)過(guò)程中，研究人員使用前述的同步方案，并行記錄了每位參與者的cEEGrid信號(hào)和84通道帽式EEG信號(hào)。數(shù)據(jù)分析采用包絡(luò)追蹤算法，其原理如圖3（時(shí)間延遲對(duì)包絡(luò)相關(guān)性影響曲線圖）所演示：通過(guò)訓(xùn)練一個(gè)多元線性回歸模型，從EEG信號(hào)中重建出“被注意的語(yǔ)音包絡(luò)估計(jì)（EASE）”，然后通過(guò)計(jì)算EASE與兩個(gè)原始語(yǔ)音包絡(luò)的相關(guān)性，來(lái)判定大腦正在注意哪一個(gè)說(shuō)話者。

圖3 包絡(luò)響應(yīng)時(shí)間延遲分析曲線圖

圖3展示了腦電信號(hào)對(duì)語(yǔ)音包絡(luò)的響應(yīng)隨時(shí)間延遲變化的規(guī)律。圖中兩條實(shí)線分別表示基于帽式EEG（青色）和耳周EEG（粉色）重建的語(yǔ)音包絡(luò)與被注意語(yǔ)音包絡(luò)的相關(guān)性；兩條虛線則表示與被忽略語(yǔ)音包絡(luò)的相關(guān)性。圖表顯示，兩種系統(tǒng)均在140-200毫秒的延遲區(qū)間內(nèi)響應(yīng)最為強(qiáng)烈，且模式高度相似，為cEEGrid捕獲了有效神經(jīng)響應(yīng)提供了關(guān)鍵證據(jù)。

研究結(jié)果

主要性能：cEEGrid系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了69.3% 的目標(biāo)說(shuō)話者解碼準(zhǔn)確率，雖然顯著高于隨機(jī)猜測(cè)水平，但低于傳統(tǒng)帽式EEG的84.8% 的準(zhǔn)確率。

神經(jīng)響應(yīng)一致性：如圖3所示，兩種系統(tǒng)的最佳神經(jīng)響應(yīng)延遲均在140-200毫秒之間，且響應(yīng)模式高度相似，這強(qiáng)有力地證明cEEGrid捕捉到了與帽式EEG同源的、與聽(tīng)覺(jué)注意力相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。

個(gè)體表現(xiàn)關(guān)聯(lián)：圖4（cEEGrid與帽式EEG個(gè)體性能評(píng)分相關(guān)性散點(diǎn)圖） 顯示，兩種系統(tǒng)的個(gè)體性能評(píng)分呈顯著正相關(guān)，表明在帽式EEG上注意力解碼表現(xiàn)好的參與者，在使用cEEGrid時(shí)通常也更好。

圖4 耳周EEG與帽式EEG個(gè)體性能相關(guān)性散點(diǎn)圖

圖4揭示了參與者個(gè)體在不同EEG系統(tǒng)上表現(xiàn)的一致性。每個(gè)點(diǎn)代表一位參與者，其橫縱坐標(biāo)分別為基于cEEGrid和帽式EEG計(jì)算出的性能評(píng)分。圖中顯示的顯著正相關(guān)趨勢(shì)表明，在傳統(tǒng)系統(tǒng)上注意力解碼能力強(qiáng)的個(gè)體，在新型的cEEGrid系統(tǒng)上也傾向于表現(xiàn)更好，這強(qiáng)有力地證明cEEGrid捕捉到了具有個(gè)體特異性的、真實(shí)的神經(jīng)信號(hào)。

性能限制原因：圖5（不同電極布局對(duì)解碼準(zhǔn)確率影響對(duì)比圖）的系統(tǒng)性對(duì)比指出，cEEGrid性能稍遜的主要原因是其電極空間位置并非聽(tīng)覺(jué)注意力解碼的最優(yōu)位置，而非電極本身質(zhì)量或通道數(shù)量不足。當(dāng)使用帽式EEG中覆蓋顳葉和中央?yún)^(qū)的16個(gè)通道時(shí)，性能與全84通道相當(dāng)。

圖5 不同電極空間布局對(duì)解碼準(zhǔn)確率的影響對(duì)比圖

圖5系統(tǒng)性地比較了電極位置對(duì)解碼性能的影響。左側(cè)的柱狀圖量化了使用cEEGrid（粉色）和多種16通道帽式EEG子集（青色）時(shí)的平均解碼準(zhǔn)確率。右側(cè)配套的頭部示意圖則直觀展示了所對(duì)比的每一種電極布局的空間覆蓋情況。結(jié)果明確顯示，性能差異主要源于空間位置，而非通道數(shù)量，指出cEEGrid性能受限的主要原因。

信號(hào)質(zhì)量可靠性：圖6（cEEGrid性能影響因素分析圖）的分析結(jié)果表明，cEEGrid的性能差異并非由電極阻抗、頻譜噪聲或佩戴角度的個(gè)體差異所導(dǎo)致，印證了其信號(hào)采集的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 cEEGrid信號(hào)質(zhì)量與性能影響因素分析圖

圖6深入分析了可能影響cEEGrid性能的三個(gè)因素。圖6A:電極阻抗分析。比較了"高表現(xiàn)組"與"低表現(xiàn)組"在各cEEGrid電極上的平均阻抗，結(jié)果顯示無(wú)顯著差異。圖6B:頻帶功率譜分析。對(duì)比了兩組在不同腦電頻率波段上的信號(hào)功率，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性差異，表明性能差異并非源于肌電等高頻噪聲污染。圖6C:傳感器佩戴角度分析。以極坐標(biāo)形式展示了兩組參與者左右cEEGrid的佩戴角度，其角度高度一致，排除了佩戴偏差對(duì)性能的影響。

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總結(jié)

本研究實(shí)證了，利用隱藏式cEEGrid耳周EEG系統(tǒng)能夠有效地從復(fù)雜聽(tīng)覺(jué)場(chǎng)景中解碼出被注意的說(shuō)話者。盡管其解碼準(zhǔn)確率因電極位置所限而低于實(shí)驗(yàn)室金標(biāo)準(zhǔn)，但其在隱蔽性、舒適性和便攜性方面取得的突破性進(jìn)展，使其成為推動(dòng)下一代智能、自適應(yīng)助聽(tīng)器發(fā)展的關(guān)鍵候選技術(shù)。未來(lái)的研究將致力于開(kāi)發(fā)更快速的實(shí)時(shí)解碼算法，以克服當(dāng)前系統(tǒng)響應(yīng)延遲較長(zhǎng)的限制，最終實(shí)現(xiàn)聽(tīng)覺(jué)輔助設(shè)備與用戶意圖的無(wú)縫、自然交互。