隱藏式耳周腦電圖檢測系統(tǒng)概述

隱藏式耳周腦電圖檢測系統(tǒng)的研發(fā)源于解決聽力受損者在“雞尾酒會(huì)”等復(fù)雜聽覺場景中難以聚焦目標(biāo)說話者的難題。傳統(tǒng)腦電圖（EEG）技術(shù)雖能通過解碼大腦信號識別注意力指向，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)勢在于在保持可接受信號質(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，為未來開發(fā)能與助聽器無縫集成的腦機(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電極布局與編號圖。圖1C:cEEGrid與帽式EEG電極3D空間位置對比圖。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系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵說明

該研究的核心在于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙Ρ刃屡d的cEEGrid系統(tǒng)與傳統(tǒng)高密度帽式EEG的性能。為確保對比的公平性與準(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信號通過藍(lán)牙無線傳輸，而帽式EEG通過有線方式傳輸，兩者與刺激標(biāo)記信號共同通過Lab Streaming Layer (LSL) 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間對齊，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，從而能夠精確評估cEEGrid在目標(biāo)說話者檢測任務(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Psychophysics工具箱）、cEEGrid無線藍(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系統(tǒng)電極設(shè)計(jì)說明

cEEGrid系統(tǒng)的卓越性能離不開其專為耳周區(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。電極編號為L1-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）的相對位置，清晰揭示了其覆蓋區(qū)域緊鄰負(fù)責(zé)聽覺處理的顳葉皮層。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。

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臨床研究

研究方法

本研究招募了20名正常聽力參與者，他們在實(shí)驗(yàn)中需要同時(shí)聆聽兩位男性說話者講述的故事，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信號和84通道帽式EEG信號。數(shù)據(jù)分析采用包絡(luò)追蹤算法，其原理如圖3（時(shí)間延遲對包絡(luò)相關(guān)性影響曲線圖）所演示：通過訓(xùn)練一個(gè)多元線性回歸模型，從EEG信號中重建出“被注意的語音包絡(luò)估計(jì)（EASE）”，然后通過計(jì)算EASE與兩個(gè)原始語音包絡(luò)的相關(guān)性，來判定大腦正在注意哪一個(gè)說話者。

圖3 包絡(luò)響應(yīng)時(shí)間延遲分析曲線圖

圖3展示了腦電信號對語音包絡(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）重建的語音包絡(luò)與被注意語音包絡(luò)的相關(guān)性；兩條虛線則表示與被忽略語音包絡(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)說話者解碼準(zhǔn)確率，雖然顯著高于隨機(jī)猜測水平，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、與聽覺注意力相關(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)體性能評分相關(guān)性散點(diǎn)圖） 顯示，兩種系統(tǒng)的個(gè)體性能評分呈顯著正相關(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)算出的性能評分。圖中顯示的顯著正相關(guān)趨勢表明，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。

性能限制原因：圖5（不同電極布局對解碼準(zhǔn)確率影響對比圖）的系統(tǒng)性對比指出，cEEGrid性能稍遜的主要原因是其電極空間位置并非聽覺注意力解碼的最優(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解碼準(zhǔn)確率的影響對比圖

圖5系統(tǒng)性地比較了電極位置對解碼性能的影響。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，印證了其信號采集的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 cEEGrid信號質(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)果顯示無顯著差異。圖6B:頻帶功率譜分析。對比了兩組在不同腦電頻率波段上的信號功率，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)雜聽覺場景中解碼出被注意的說話者。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)助聽器發(fā)展的關(guān)鍵候選技術(shù)。未來的研究將致力于開發(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)延遲較長的限制，最終實(shí)現(xiàn)聽覺輔助設(shè)備與用戶意圖的無縫、自然交互。