CN109589493A - 一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，所述方法包括以下步骤：将经颅直流电刺激神经调控前后的EEG数据依次经降采样、滤波、数据分段预处理，利用相干平均算法计算正性和负性情绪下的P300差值，所述P300差值作为调控效果评估的电生理指标；通过行为学数据计算正性和负性情绪下的分类正确率，提取出情绪错分率作为调控效果；比较调控前后电生理指标和行为学指标的变化情况，根据P300差值指标和情绪错分率指标综合评价调控结果，从而得到最终的调控结果。本发明解决了情绪注意力评价和检测时主要依靠量表和主观评分、客观性差的问题。

Description

一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法

技术领域

本发明涉及神经调控和注意力评估领域，尤其涉及一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法。

背景技术

在情绪处理的背景下，选择性注意力是决定机体如何感知和解释环境中情绪信息的关键机制，越来越多的研究表明人们对负性信息的加工和反应存在偏向性，即相对于中性和正性刺激，人脑对负性刺激更加敏感，机体对环境中负性情绪的某种特殊敏感性，成为情绪的负性偏向。在认知任务中，负性偏向主要表现在三个方面，一种表现是对负性信息的注意力提升，另一种是对积极信息的注意力不足，还有一种是对负性干扰信息的抑制不足。相比于健康个体，焦虑抑郁个体对负性刺激则表现出更为明显的的选择性注意，并且抑郁易感人群也表现出对负性信息的注意力偏向。注意力偏向在处理社会情绪信息时影响尤为明显。面孔是社会交往中最常见的视觉刺激，其在社会交往中扮演着重要的角色，面部表情可同步传递和诱发相应的情绪，是作为检测情绪注意力的常用素材。调节人们对情绪面孔刺激的注意力，(降低对负性刺激的过度注意力偏向，提高对积极刺激的注意力等)对抑制焦虑抑郁风险具有重要意义。

近年来，经颅直流电刺激(tDCS)已成为神经调节的有效手段，tDCS通过恒定不变的低强度电流(通常为0.5-2mA)来调节自发性皮质活动，电流的作用产生特定极性，由此改变目标脑区的兴奋性，研究证明阳极刺激提高皮质兴奋性，阴极刺激降低皮质兴奋性。神经影像学研究表明，皮质边缘回路的交互连接在情绪自上而下的调节中扮演着重要的作用，其中背外侧前额叶(DLPFC)作为大脑参与认知和情绪调节的主要脑区，与对情绪状态注意力偏向可理解为与DLPFC自上而下的注意控制相关。多项研究证明，对DLPFC区域施加tDCS可调节大脑情感环路，改善健康被试和抑郁病人的认知和情感功能。

对于调控效果的评价多局限于任务表现，缺乏客观的神经评价指标。认知神经科学使用事件相关电位(ERP)等技术来阐明对面部表情注意力的神经关联，事件相关电位是当外加一种特定的刺激，作用于感觉***或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，某种心理因素出现而在脑区所产生的电位变化，可反映大脑认知过程中的神经电生理变化，此技术具有无创性、时间分辨率高的特点。它通过赋予刺激以特殊的心理意义，可以反映大脑认知过程中的神经电生理变化，ERP技术可以对传统的行为方法进行补充。P3是一种典型的ERP内源性成分，其幅值与刺激出现的可预测性相关，它可以反映人对目标刺激分配注意力的程度，具有高度的灵敏度，研究中常将P3作为客观的神经电生理指标来评价个体高级认知***的心理活动过程。因此，检测P3成分可以帮助阐明在行为学表现下的神经处理过程。故P3成分对注意力处理的研究具有重要作用，它可反映对观察到的刺激评估所使用的注意力资源。EEG研究也证明了tDCS作用后可对皮层活动产生影响。例如，D.Keeser等发现tDCS作用对反应时间、正确率等都产生积极影响，并且电生理测量发现在2-back条件下FZ导联处的P2和P3幅值升高。Tamara Y等证明了作用于左侧DLPFC的单试次tDCS可调节抑郁病人的任务相关EEG。表明EEG适用于研究TDCS所引起的皮层变化。

上述研究证明了tDCS可以调节抑郁病人的认知情感障碍，提高健康被试的认知功能，但是，关于tDCS对情绪性注意力偏向的调控作用尚不清楚，并且在现有研究中，鲜少涉及前额叶tDCS对面孔情绪处理ERP研究，并且对其调控效果缺乏客观的评价指标。tDCS对注意力偏向的调控作用多利用注意力范式中的行为学指标评估，鲜少涉及情绪性注意力的调控，并且缺乏脑电指标与行为学指标的联合评估方法。

发明内容

本发明提供了一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，本发明进行tDCS之前，记录不同情绪面孔下的脑电信号(EEG)，然后进行电刺激调控，调控之后继续进行脑电的采集，对EEG信号进行一定的预处理、特征提取，最后计算刺激前后正性情绪和负性情绪的ERP变化以及情绪分类正确率的变化，利用综合指标评价tDCS对情绪注意力偏向的调控效果，详见下文描述：

一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，所述方法包括以下步骤：

将经颅直流电刺激神经调控前后的EEG数据依次经降采样、滤波、数据分段预处理，利用相干平均算法计算正性和负性情绪下的P300差值，所述P300差值作为调控效果评估的电生理指标；

通过行为学数据计算正性和负性情绪下的分类正确率，提取出情绪错分率作为调控效果；

比较调控前后电生理指标和行为学指标的变化情况，根据P300差值指标和情绪错分率指标综合评价调控结果，从而得到最终的调控结果。

进一步地，所述方法还包括：

用Psychtoolbox编写刺激界面，通过电脑显示器呈现界面，采集Oddball任务状态下的EEG信号和行为学数据并保存。

其中，所述降采样、滤波、数据分段预处理具体为：

对EEG数据进行0.5-40Hz的带通滤波，然后降采样至200Hz，再进行1到30Hz的带通滤波。

进一步地，所述通过行为学数据计算正性和负性情绪下的分类正确率具体为：

利用混淆矩阵计算出每种情绪的分类概率，即负分为负、中分为负、正分为负、正分为正、中分为正、负分为正六种。

其中，所述P300差值指标具体为：

将调控前后的正性面孔情绪和负性面孔情绪下的P300波形按照基线对齐，将调控前后的幅值作差，正性差值记作DH，负性差值记作DS；

若DH>0，则说明调控提高了被试对正性情绪的注意力，DH<0，则说明调控降低了被试对正性情绪的注意力；

若DS>0，则说明调控提高了对负性情绪的注意力，若DS<0，则说明调控降低了对负性情绪的注意力。

其中，所述情绪错分率指标具体为：

计算调控前后错分率的差值，中性分为负性差值记作DPS，中性分为正性的差值记作DPH；

若DPH>0，说明调控提高了被试对正性情绪的注意力，DPH<0，则说明调控降低了被试对正性情绪的注意力；

若DPS>0，则说明调控提高了对负性情绪的注意力，若DPS<0，则说明调控降低了对负性情绪的注意力。

进一步地，所述根据P300差值指标和情绪错分率指标综合评价调控结果具体为：

1)DH>0或者DPH>0，调控提高了正性情绪注意力偏向，输出反馈结果为正性情绪调控效果良好；

2)DS<0或者DPS<0，调控降低了负性情绪注意力偏向，输出反馈结果为负性情绪调控效果良好；

3)DH>0、DPH>0并且DS<0、DPS<0，调控改善整体情绪注意力，输出反馈结果为情绪调控效果佳；

4)DH<0、DPH<0并且DS>0、DPS>0，输出反馈结果为调控效果差。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明设计了tDCS调控情绪注意力偏向效果的测查方法，解决了情绪注意力评价和检测时主要依靠量表和主观评分、客观性差的问题；

2、本方法提出利用事件相关电位P300差值和情绪错分率差值系数作为情绪注意力变化的评价指标，其结果可以作为一种可靠、客观的神经指标；

3、本方法进一步研究可以得到一套完善的神经诊断方法，不仅可以应用于tDCS调控效果的评价，也可应用于其他神经调控手段的疗效测评，有望获得可观的社会效益。

附图说明

图1为一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法的流程图；

图2为oddball任务流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

针对此问题，本发明实施例设计了一种情绪面孔的oddball范式并根据其行为学和电生理数据形成了一套调控效果的综合控制方法。利用其控制方法来对情绪注意力进行调控，其结果全面、客观、可靠。

实施例1

一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：用Psychtoolbox编写刺激界面，通过电脑显示器呈现界面，采集Oddball任务状态下的EEG信号和行为学数据并保存；

102：对EEG信号进行tDCS神经调控，调控之后进一步进行数据采集；

103：将调控前后的EEG数据经降采样、滤波、数据分段等预处理，然后利用相干平均算法计算正性和负性情绪下的P300差值，此P300差值作为调控效果评估的电生理指标；

104：通过行为学数据计算正性和负性情绪下的分类正确率，提取出情绪错分率作为调控效果；

105：比较调控前后电生理指标和行为学指标的变化情况，根据P300差值和情绪错分率两个指标综合评价调控结果，从而得到最终的评价指标。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-105步骤设计了tDCS调控情绪注意力偏向效果的测查方法，解决了情绪注意力评价和检测时主要依靠量表和主观评分、客观性差的问题。

实施例2

下面结合图1、图2，以及具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

一、数据采集

本发明实施例中的Oddball任务要求被试在实验中对正性情绪或者负性情绪进行按键反应。实验包括6个blok(模块)，其中3个blok需要被试对正性情绪的面孔做按键反应，3个blok需要对负性情绪的面孔做按键反应，每个blok中性、正性、负性情绪的面孔随机交替出现，比例为7：1.5：1.5。

刺激界面中单个trial的流程和刺激中可能出现的面孔顺序如图2所示，实验过程中，被试坐在距离显示器一米左右的椅子上，眼睛注视屏幕并按照提示完成相应任务。每个blok包含180个试次(trial)，实验开始之前会提示被试此次blok的靶刺激是正性面孔还是负性面孔，被试在实验中对靶刺激进行按键反应。开始时屏幕上先呈现一个十字，提示被试集中注意力，十字呈现250ms，然后十字消失，屏幕上呈现一个面孔图片，图片呈现750ms，最后是1000ms的黑屏期，被试要在图片呈现的时候尽快的对靶刺激进行按键反应。

采集脑电所用的仪器为Neuroscan公司生产的60导脑电放大器，配合脑电采集软件Scan4.5，采样率为1000Hz，带宽为0.05-100Hz，通过实时多导阻抗测量显示将每一导联的阻抗保持在5kΩ以下，以降低脑电信号中的干扰噪声。实验以右侧乳突为参考，共采集60到脑电数据。

二、特征提取

在对信号进行特征提取之前，首先对采集到的原始信号进行一些预处理，其目的是为了减少信号中的伪迹，去除信号中的噪声干扰，增强信噪比。EEG状态数据的预处理是先对数据进行0.5-40Hz的带通滤波，然后降采样至200Hz，接下来再对其进行1到30Hz的带通滤波，带通滤波可以去除基线漂移。

1)事件相关电位提取：利用相干平均算法从强噪声背景下有效提取P300信号。

P300信号是一种具有严格锁时性的事件相关电位成分，对它的分析主要从时域波形本身出发，相干平均算法是从强噪声背景下提取微弱信号最常用的方法之一，利用此方法可以有效提取P300信号。

将经过预处理的信号、P300信号以及噪声表示如下：

x_i(n)＝s(n)+n_i(n),i＝1,2,…N…N (1)

其中，i表示不同的刺激试次，n表示该次记录中第n个采样值，每次记录共N个采样值，x_i(n)为该次采集到的原始信号，n_i(n)为背景脑电噪声，s(n)表示想要得到的真实P300信号。将记录得到的信号经过M次叠加平均，P300信号的估计可以用如下公式表示：

假设对于每个被试而言各次记录的P300信号基本保持不变，而自发脑电和其他噪声却是随机呈现，因此均值可视为零，故(2)式中的第二项为0，即

这样，在多次刺激的叠加过程中，随机背景噪声相互抵消，与刺激有固定锁时关系的P300信号逐渐增强，从而提取出较为明显的P300信号。采用相干平均法的优点主要是速度快，方法易于实现。

2)情绪判断分类：利用混淆矩阵计算oddball任务中的情绪分类正确率。

混淆矩阵的每一列代表了预测类别，每一列的总数表示预测为该类别的数据的数目；每一行代表了数据的真实归属类别，每一行的数据总数表示该类别的数据实例的数目。

在本发明实施例的实验中，情绪面孔刺激的真实类别分为负性、中性、正性三种，标签为1、2、3。由于实验中只要求被试对正性或者负性情绪进行按键判断，所以判断类型分为负性和正性两种，标签为1、3，利用混淆矩阵可以计算出每种情绪的分类概率，即负分为负、中分为负、正分为负、正分为正、中分为正、负分为正六种。

三、指标计算

(1)P300差值：P300可以反映人对目标刺激分配注意力的程度，其幅值越高代表分配的注意力越多。

本发明实施例将调控前后两次数据采集时的正性面孔情绪和负性面孔情绪下的P300波形按照基线对齐，调控前后正性面孔P300幅值分别记为Vh1,Vh2。负性面孔P300幅值分别记为Vs1，Vs2。将调控前后的幅值作差，正性差值记作DH，负性差值记作DS，即：

DH＝Vh2-Vh1 (3)

DS＝Vs2-Vs1 (4)

若DH>0，则说明tDCS调控提高了被试对正性情绪的注意力，DH<0，则说明tDCS调控降低了被试对正性情绪的注意力。若DS>0，则说明tDCS提高了对负性情绪的注意力，若DS<0，则说明tDCS降低了对负性情绪的注意力。

(2)情绪错分率：由于任务简单，本实验的任务中情绪分类正确率普遍偏高，调控前后变化不显著。

比起情绪分类正确率，更能代表情绪注意力偏向的指标是中性情绪错分率，即将中性分为正性的概率和中性分为负性的概率，tDCS调控前后中性分为正性的概率分别记为Pnh1、Pnh2。tDCS调控前后中性分为负性的概率分别记为Pns1、Pns2。计算调控前后错分率的差值，中性分为负性差值记作DPS，中性分为正性的差值记作DPH，即：

DPH＝Pnh2-Pnh1 (5)

DPS＝Pns2-Pns1 (6)

若DPH>0，说明tDCS调控提高了被试对正性情绪的注意力，DPH<0，则说明tDCS调控降低了被试对正性情绪的注意力。若DPS>0，则说明tDCS提高了对负性情绪的注意力，若DPS<0，则说明tDCS降低了对负性情绪的注意力。

四、指标评价：得到P300差值和情绪错分率差值系数之后，进行综合指标评价：

1)DH>0或者DPH>0，tDCS提高了正性情绪注意力偏向，输出反馈结果为正性情绪调控效果良好。

2)DS<0或者DPS<0，tDCS降低了负性情绪注意力偏向，输出反馈结果为负性情绪调控效果良好。

3)DH>0、DPH>0并且DS<0、DPS<0，tDCS可以改善整体情绪注意力，输出反馈结果为情绪调控效果佳。

4)DH<0、DPH<0并且DS>0、DPS>0，输出反馈结果为调控效果差。

综上所述，本发明实施例提出了一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，该方法可以有效评价情绪注意力变化，评价神经调控效果、预测调控手段的有效性，获得可观的社会效益和经济效益。

最佳实施方案拟采用专利转让、技术合作或产品开发，该技术可与科研机构、医院等合作进一步开发出适用于检测情绪注意力变化的产品。该技术可以用于情绪注意力变化检测、神经调控效果评价、情绪障碍疾病治疗效果评估等领域，具有重要的研究意义与商业价值。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将经颅直流电刺激神经调控前后的EEG数据依次经降采样、滤波、数据分段预处理，利用相干平均算法计算正性和负性情绪下的P300差值，所述P300差值作为调控效果评估的电生理指标；

通过行为学数据计算正性和负性情绪下的分类正确率，提取出情绪错分率作为调控效果；

比较调控前后电生理指标和行为学指标的变化情况，根据P300差值指标和情绪错分率指标综合评价调控结果，从而得到最终的调控结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述方法还包括：

用Psychtoolbox编写刺激界面，通过电脑显示器呈现界面，采集Oddball任务状态下的EEG信号和行为学数据并保存。

3.根据权利要求1所述的一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述降采样、滤波、数据分段预处理具体为：

对EEG数据进行0.5-40Hz的带通滤波，然后降采样至200Hz，再进行1到30Hz的带通滤波。

4.根据权利要求1所述的一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述通过行为学数据计算正性和负性情绪下的分类正确率具体为：

利用混淆矩阵计算出每种情绪的分类概率，即负分为负、中分为负、正分为负、正分为正、中分为正、负分为正六种。

5.根据权利要求1所述的一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述P300差值指标具体为：

将调控前后的正性面孔情绪和负性面孔情绪下的P300波形按照基线对齐，将调控前后的幅值作差，正性差值记作DH，负性差值记作DS；

若DH>0，则说明调控提高了被试对正性情绪的注意力，DH<0，则说明调控降低了被试对正性情绪的注意力；

若DS>0，则说明调控提高了对负性情绪的注意力，若DS<0，则说明调控降低了对负性情绪的注意力。

6.根据权利要求5所述的一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述情绪错分率指标具体为：

计算调控前后错分率的差值，中性分为负性差值记作DPS，中性分为正性的差值记作DPH；

若DPH>0，说明调控提高了被试对正性情绪的注意力，DPH<0，则说明调控降低了被试对正性情绪的注意力；

若DPS>0，则说明调控提高了对负性情绪的注意力，若DPS<0，则说明调控降低了对负性情绪的注意力。

7.根据权利要求6所述的一种基于经颅直流电刺激的注意力调控方法，其特征在于，所述根据P300差值指标和情绪错分率指标综合评价调控结果具体为：

1)DH>0或者DPH>0，调控提高了正性情绪注意力偏向，输出反馈结果为正性情绪调控效果良好；

2)DS<0或者DPS<0，调控降低了负性情绪注意力偏向，输出反馈结果为负性情绪调控效果良好；

3)DH>0、DPH>0并且DS<0、DPS<0，调控改善整体情绪注意力，输出反馈结果为情绪调控效果佳；

4)DH<0、DPH<0并且DS>0、DPS>0，输出反馈结果为调控效果差。