便携式脑高级功能的心理生理参数实用测试系统

摘要

由于我国和世界经济与科学的高速发展,一方面对公民的心理素质、智能和个性特征有不同的要求;另一方面许多新技术提供了对人脑高级功能的测试手段。本发明研制了适用于多种现场环境要求的“便携式脑高级功能的心理生理参数实用测试系统”。本测试系统兼具便携性,多种现场环境的适用性和实用性等三性,不同于现有的这类脑功能测试系统。适用于司法鉴定、毒品复吸心理分析,智力及其潜能、创造能力等现场测评。

说明书

本发明涉及一种人的心理素质、能力和个性特征的脑事件相关电位和慢波电位的实用便携式测试系统，属于脑高级功能测试领域。

国际学术界已有很多脑高级功能研究的测试仪器，但都很笨重难以移动，且要求在特别严格的实验室条件下才能用于理论研究或临床诊断。此外就便携性和实用性而言，国外虽有脑电监测仪，可由病人带在身上24小时记录脑电波，但它主要针对癫痫病人自发脑电变化中的癫痫样发放波，无法测试脑高级功能的心理生理参数。因此它虽然具有便携性与实用性，但却不能测试脑高级功能的心理生理参数。2000年7月18日公开的美国6.092.058号专利“以计算机显示人类认知功能自动帮助器(Automatic aider)”，其发明目的是对人们受到一种刺激做出反应决策的评估(estimate)。尽管这一发明采用了生物电信号模拟放大、A/D转换和数据分析的多种技术；但它只限于简单反应能力，和1秒时窗内的脑电(EEG)、眼动等的数据分析。该发明使用的信号处理方法包括非线性回归、参数模型、模式识别、模糊分类和人工神经网络原理等。用这种仪器分析简单知觉反应特征。尽管这种简单知觉反应可能是许多复杂心理过程和技能的基础；但它毕竟不同于多种脑高级功能，如素质、智能和个性特征等。

为克服上述背景技术的局限性，本发明瞄准的脑高级功能的心理生理参数，是指人们的智能、思维、语言、记忆、知觉判断等高级心理活动参数及其脑内伴随的事件相关电位和慢电位的生理参数，特别侧重于心理生理参数对社会生活中特定问题的实用意义。例如，对于司法系统的测谎问题，它能给出脑的认知状态，完全不同于各国已采用的测谎仪器(测呼吸、皮肤电和脉搏波在说谎时的变化)，比现有测谎器具有更大可靠性和抗反侦察性。对于教育问题，教师与家长关注学生的天资、智力、能力及其与脑的关系；某些新教学法对学生脑与认知功能的作用，也为教育界所关注。对戒毒问题，人们希望知道脱毒者看见什么东西又能勾引出想吸毒的心理复吸因素。人力资源管理或人事部门关注其管辖人员的特殊才气，包括抽象与形象思维的能力和创造能力等。因此，本实用测试系统不同于医疗诊断仪器，它是针对正常人脑高级功能的心理生理参数及其与某些社会问题的相关；它不同于关于简短反应分析的美国专利，它记录和分析10秒时程的慢电位和事件相关电位。

为了达到上述目的，本发明提出了如下技术方案。本发明是一个便携式的，硬、软件兼具的脑高级功能实用测试系统(详见图1)，它包括事件发生器、反应器、信号采集器、控制器等四个硬件部件以及使这些硬件部件发挥效能的软件。

事件发生器由耳机、显示器、皮肤电刺激器、运动刺激器四部分组成，分别呈现听、视、触和运动觉事件。各种刺激事件发生的时间、强度、顺序等由控制装置加以控制，持续时间可在数秒乃至数分钟间备选。

反应器由手反应器、脚反应器和眼动反应器三部分组成，其反应信号由控制装置进行收集存储。换能器件分别采用触摸屏、反应键、脚踏键、记录电极和红外光记录。

信号采集器由缓冲箱、放大器、数据采集器和微处理器组成(详见图2、图6)。这些装置的特有之处是超常的抗噪声措施，是本发明中硬件的核心。这也是本系统其他特性的基础，使它具有广泛的适用性。主放大器与数据采集器的地并不直接连接，采用了特殊耦合与隔离法并设低通截止频率为40Hz。因此，避免一般放大系统由地端和参考电极端导入的噪声。然而，没有脑高级功能测试控制系统，放大器就无法正常工作。

控制器由联机控制接口和微处理器组成，它控制事件的发生，并对信号(脑事件相关电位和慢电位)的采集装置发出触发信号，控制它对脑事件相关电位的采集。同时它还对反应进行记录。控制信号由数据传输卡与外设发生联系。这种措施的优越性只能在它进行心理生理参数测定过程中由它的功能要求和控制系统对放大器工作触发的条件下才能表现出来。

软件由高级信号处理模块、实用软件包和数据库三部分组成。(1)高级信号处理模块适用于脑高级功能分析，是当代信号处理的国际前沿技术，包括复杂性分析、独立成分分析和自适应多变量自回归相干性分析，以模块形式安装在微机内。(2)实用软件包由测评程序、刺激程序、信号采集程序、数据处理与结果显示程序等组成。其中测评程序由智能、智力潜能、形象思维、复吸心理和测谎等不同用途的应用程序。数据处理与结果显示程序包括经典事件相关电位成分分析软件，慢电位分析软件等。(3)数据库是对测评结果判定的重要基础，是本发明的重要组成部分，由基础和专用两类数据库组成。基础数据库包含知觉、注意和记忆等认知功能参数及其相关的ERP经典成分和慢波生理参数。专用数据库包括测谎、智力测试和药瘾心理分析等数据库，即相应心理测试范式的心理生理参数。

本发明提供的技术方案有三个显著特点：(1)该系统目标在于复杂认知过程的脑高级功能检测，分析时窗不限于1秒，可延伸为10秒，包括慢波分析和事件相关电位。(2)采用更适用于复杂过程分析的当代信号处理新方法，如复杂性分析、独立成分分析、自适应多变量自回归模型的相干分析。(3)多种用途的数据库及其自动搜索匹配的结果报告系统，包括测谎、智能测评、毒瘾心理分析等报告系统。本发明已用于测谎、戒毒心理分析、智能的脑功能参数等实测，并取得了较好的效果。

说明书附图说明：

图1．系统方框图

图2．放大器方框图

图3．基于罪识测验ERP经典成分测谎结果

图4．基于控制问题测验的ERP经典成分测谎结果

图5．基于延缓测验的脑诱发慢波测谎结果

图6．脑事件相关电位和慢电位放大器电路图

图7．弱智儿童与同龄正常儿童在怪球实验范式中P300波幅值差的比较

图8．吸毒者ERPs反应

图9．生理脱毒者在后头部诱发的ERPs变化

下面结合实施例进一步说明本发明的具体技术方案。

实施例一是一个测谎系统。

传统的测谎器主要是通过对犯罪情节相关问题、无关问题和控制问题引起脉搏波，呼吸波和皮肤电阻变化的差异分析。服用镇静剂等反侦察手段可导致这类技术失灵。脑事件相关电位和慢电位是脑中枢的认知变化，人们既不能感受到它的变化，更无法加以控制。

本实施例中电路设计采用专门性滤波处理的两个措施(如图2)。一是在头皮活动输入端将40Hz以上高频成分滤除，它完全满足了潜伏期长于50ms以上，周期一般大于30ms的事件相关电位(平均诱发电位的晚成分)记录，这一点通用基础理论研究的脑电机和平均诱发记录系统是不可能作到的。因为它们必须留有滤波选择的广泛性，以便适用于全部生物电信号的放大，包括潜伏期小于10ms，周期短至1ms左右的平均诱发电位早成分，例如听觉脑干诱发电位对听神经瘤的诊断。本仪器专门用于脑高级功能相关的事件相关电位记录，可以甩掉潜伏期50ms以下，周期30ms以下的成分。用的第二个措施是在A/D转换的输入端(或放大器输出端)，采用了特殊耦合与隔离法，使一般生理仪器常用的参考电极输入端和接地端采用二级运放偶合法，使A/D输入中的噪声消除。

涉及重大问题或法律案件的谎言伴随脑认知过程的复杂变化，利用三种测谎范式综合分析7-10秒之内的慢波和经典ERP成分是本发明的独创。

(1)基于罪识测验Guilty Knowledge Test(GKT)的ERP经典成分测谎

被试年龄为18-30岁，根据视觉刺激材料的不同分为五个子实验组。文字(26人)，物品(24人)，面孔(26人)，场景(24人)和器械(24人)分别作为刺激材料。刺激材料与案情关系分为三类：相关项，无关项和靶子项。实验方法：三类项目随机呈现在计算机屏幕上，呈现时间为300ms，被试对靶子项按键反应。脑电的记录从刺激呈现前200ms开始，持续1200ms。经A/D转换，剔除被眼电和肌电污染的数据，分类叠加后存于硬盘。判别标准及结果：以相关项和无关项诱发的P₃₀₀幅值差作为测谎指标，结果例证如图3，相关项诱发的P₃₀₀幅值显著高于无关项无关项。由于我们的模拟测谎实验的被试均为18-30岁的年轻人，参照国外标准和自己的数据，我们以2μv为标准来判定被试是否说谎。正确识别率为91％，误识率为9％。

(2)基于控制问题测验Control Question Test(CQT)的ERP经典成分测谎

被试42人，年龄为18-38岁。刺激用文字材料，分为4类：相关项，无关项，控制项和靶子项。实验方法：4类项目随机呈现在计算机屏幕上，呈现时间为300ms，被试对靶子项按键反应。ERP记录从刺激呈先现前200ms开始，持续1200ms。经A/D转换，剔除被眼电和肌电污染的数据，分类叠加后存于硬盘。我们以相关项和无关项诱发的P₃₀₀幅值差作为测谎指标，结果例证如图4。由于我们的模拟测谎实验的被试均为18-38岁的青壮年，为实现最优识别，我们以3μv为标准来判定被试是否说谎。正确识别率为91％，误识率为9％。

(3)基于延缓测验的脑诱发慢波测谎

被试19人，年龄为18-21岁。刺激用面孔视觉材料，分为2类：相关面孔和无关面孔。实验方法：提示刺激消失后1000ms出现面孔，面孔持续500ms，1000ms的间隔后出现提示，要求被试按键反应表明自己是否熟悉呈现的照片。脑电的记录从面孔刺激呈现前200ms开始，持续5500ms。经A/D转换，剔除被肌电污染的数据，被眼电污染的数据用Semlitsch(1986)提出的方法校正，分类叠加后存于硬盘。以相关面孔和无关面孔诱发的慢波幅值差作为测谎指标，结果例证如图5。慢波幅值是后5000ms的诱发电位的幅值平均。由于我们的模拟测谎实验的被试均为18-21岁的年轻人，为实现最优识别别，我们以0.2μv为标准来判定被试是否说谎。正确识别率为92％，误识率为8％。

实施例二是一个智力的脑功能参数测定系统。

智能与智力潜能是教育界与公众十分关注的问题，尽管对智力有多种不同的定义，但智能与脑功能的关系公众更为关注。当代脑成像的研究，特别是ERPs的研究已积累了不少资料，可以对不同智力水平进行脑功能差异的比较。

本实施方案中线路的设计如图6，说明如下：

(1)采用激光晶片校准技术制成的仪表放大器INA111，它易于调整，无需调节，使用时只需1脚和8脚间接一个电阻Rg以设置成所需要的增益G，G与Rg的关系式如下：

           G=1+50KΩ/Rg    (1)

INA111的主要的特性参数有：①CMRR(共模抑制比)120dB(G≥100)；②输入阻抗10GΩ；③噪声电压0.2μVp-p，噪声电流0.9pAp-p。Rg必须选用精明电阻，否则INA111的低噪声性能将丧失，我们选用的是0.01％的金属膜电阻。

(2)输入结构采用三种措施：ⅰ．共模驱动屏蔽线；ⅱ．共模驱动“地”电极(图中G’)；ⅲ．缓冲输入。这样即可以消除电缆屏蔽电容对输入阻抗的影响，又可以使浮置中心“地”点随共模信号一起变化。此外，通过缓冲输入和共模驱动“地”电极，可减少人体的50Hz的电压幅值，从而减少人体输入电极的50Hz电压差，达到抑制50Hz干扰的目的。

(3)A3为主放大器，增益设为200倍。A0和A1构成缓冲级，有利于减少因输入线过长所带来的干扰。A7为求和屏蔽驱动，A2为共模驱动电路，起抗干扰，降噪声的作用。A4及其外围阻容构成带通滤波器及增益可调的二级放大电路，高通截止频率是0.05Hz，其作用是阻断前置放大器可能输出的直流成分，防止后续电路出现饱和现象，低通截止频率是40Hz，有效地消除了混杂在弱电信号中的大于40Hz的杂波成分，此外还使得后续模数转换采样时不致于发生信号混叠。

(4)为防止由于电极的极化电压对后级的影响，在A4构成的反向放大器前采用了隔直电容。

(5)“地”对于幅度小至μV量级的生物弱电信号来说，要求苛刻。选用多层板布置一层实地和一层浮地平面的方案。但国内很难找到这样的制板厂家，所以只能放弃这个方案，而采用如下措施以逼近接地要求：

①加宽地线。印刷线路板上的空挡都布上地线，并保证最窄处不小于1.5mm，而信号线均宽仅为0.3mm。

②合理布局。在印刷线路板的两面周边布上一圈地线。

(6)采用屏蔽是减少外界干扰，特别是工频干扰的有效手段。在屏蔽盒内侧均匀喷镀一层玻莫合金(铁磁材料)，这样即能屏蔽电场，又可以屏蔽磁场。根据电磁场理论，干扰波的穿透深度为：$$ >>\delta >=>>2>/>\omega \mu \sigma >>->->->->->>(>2>)>>>$$

式中ω是干扰波的角频率，σ是屏蔽材料的电导率，μ是磁导率，故选用厚度为0.5mm的薄聚酯板即可达到满意的屏蔽性能。为了使屏蔽更有效，我们将实地与外层屏蔽罩连在一起。

(7)、本电路需要稳定度高的直流电源。实地电源由精选的低漏磁、低漏电流的环形铁变压器构成，稳定性优于0.4％。每个运放正负电源和地之间都跨接了0.1μ和22μ/16V的优质退耦滤波电容。

(8)在能容纳下元器件和走线的前提下，尽可能的紧凑布局元器件，以缩短信号通路的印刷线的长度，并确保模拟信号线和数字线不平行。板材选用隔离性能好的，且漏电流极小的优质环氧树脂板。

数据采集软件包

数据采集软件由TurboC++4.0编写，采样率可控制定时器8253灵活设定，根据所需信号成分可设定为256Hz/s,512Hz/s或更高。采集前先进行导联检查，即先采集60秒信号并实时显示，通过对采集波形的观察就可以知道导联电极是否接好，显示灵敏度是否合适。在进行上述导联检查之后就可以进行正式的数据采集，在设定好采集时间后，计算机就对16路信号同时采集。由于需要多路长时间采集，需要的数据量多达5M，远远超出DOS640K的管理范围，为了解决内存不足的问题，我们使用计算机采集数据时，以系列数据文件的形式直接存于硬盘，文件名由计算机自动取进入检测系统时输入的被试者的名字，并对多路数据自动加上文件序号。

利用本系统可进行多种智力相关的测评，现以对某山区弱智儿童和正常儿童进行的三个范式试验为例，说明如何分析ERP。

(1)怪球实验：红球为小概率事件(15％)，蓝球为大概率事件(85％)，被试对小概率事件按键反应。

(2)空间注意：本实验观察空间注意转移过程。屏幕(背景黑色)中间出现注视点(+)，被试注意注视点，时间为500ms；呈现四个大小一样的白球，分别在以注视点为中心的正方形的四角上，时间为1000ms；箭头指向四个球中的一个，时间为250ms；靶子(箭头所指球变红)或无靶子呈现，被试对靶子按键反应，时间为100ms；

(3)重复启动：本实验观察被试对熟悉和不熟悉的符号的ERP反应，刺激为规则图形(三角、圆等)和不规则图形，靶子为指定的符号，被试对靶子按键反应。

实验结果如图7：弱智儿童对低概率刺激反应幅值显著强于高概率刺激，给出过强的反应；但对两类刺激反应的辐值均低于正常儿童。因此EPRs对儿童脑发育是一项灵敏的指标。有关脑功能成像实验(fMRI)和临床问卷调查的文献都支持了我们的发现。

实施例三是一个戒毒心理分析系统。

吸毒是当代社会的公害之一，对毒品的生理依赖已有较好的处理方法；但高复吸率中最难解决的是心理复吸或想瘾的问题。为分析心理复吸中哪些视觉物体是最易引起想毒的心理线索，对吸毒者进行的问卷调查，发现引起毒瘾的心理线索包括海洛因、针管等物品、过去的药友、最初用药的环境。采用线索设计方法，线索就是吸毒相关物品如针管等。3×2因素设计，三类被试(刚进戒毒所未完成生理戒断的学员、已完成生理戒断的学员和教育背景类似的正常人)为被试间变量，两类照片刺激(一类是与吸毒有关的照片一类为无关照片)共11种图片为被试内变量。一个实验共110次试验，每种照片重复10次随机排列，对应两类照片的ERPs叠加次数为30到50次。一次试验包括提示200ms、间隔200ms、照片呈现300ms，EEG记录1s。脑电记录部位选择F3、Fz、F4、Cz、P3、Pz、P4等七处。在正式实验开始前，我们首先让被试熟悉计算机的操作和实验模式。以P₃₀₀和N₂₀₀作为指标的统计结果发现，两类吸毒者额叶区ERPs的波形均失常。毒品相关刺激物对生理脱毒前后被试的作用不同，对未脱毒者诱发额叶的波幅和潜伏期变化较大(图8)；对已脱毒者在后头部诱发的变化较大(图9)。并且对两类戒毒者，P₃₀₀幅值在额区的非对称性消失，不同于正常人。