1209
0
2025-11-09
2025-11-09
近日，團(tuán)隊2023級研究生吳志聰、何婉瑩等在潘家輝教授的指導(dǎo)下，研究成果“Cross-Subject P300-Based Audiovisual BCI System via Continual Learning: A Clinical Application for Disorders of Consciousness”被生物醫(yī)學(xué)工程與腦機接口領(lǐng)域的國際權(quán)威期刊《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》成功錄用。該論文自2025年5月1日提交，于2025年11月9日被正式接收。
1. 研究背景
意識障礙（Disorders of Consciousness, DOC）是由創(chuàng)傷性或非創(chuàng)傷性腦損傷引起的嚴(yán)重病理狀態(tài)，其特征是意識水平的持續(xù)性降低或意識內(nèi)容的顯著改變。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，意識障礙主要分為昏迷（Coma）、無反應(yīng)覺醒綜合征（Unresponsive Wakefulness Syndrome, UWS，之前稱為植物狀態(tài)，VS）、微意識狀態(tài)（Minimally Conscious State, MCS）以及從微意識狀態(tài)中逐漸恢復(fù)的患者（Emergence from Minimally Conscious State, EMCS）。這些狀態(tài)的診斷和預(yù)后評估一直是臨床醫(yī)學(xué)中的重大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的行為量表評估方法存在主觀性強、準(zhǔn)確性不足等問題，誤診率高達(dá)40%。
近年來，腦機接口（BCI）技術(shù)憑借其能夠繞過行為反應(yīng)直接與大腦交互的優(yōu)勢，成為評估意識水平和預(yù)測預(yù)后的關(guān)鍵工具。然而，現(xiàn)有的BCI系統(tǒng)在跨受試者應(yīng)用中仍面臨適應(yīng)性差、訓(xùn)練成本高、遺忘率高等問題，限制了其臨床推廣。
持續(xù)學(xué)習(xí)（Continual Learning, CL）作為一種新興的機器學(xué)習(xí)范式，旨在通過模擬人類學(xué)習(xí)過程，使模型在不斷學(xué)習(xí)新任務(wù)的同時保留對舊任務(wù)的記憶。這種能力對于腦機接口系統(tǒng)尤為重要，因為它能夠有效解決跨受試者BCI中常見的災(zāi)難性遺忘問題，提升系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。本研究通過結(jié)合多模態(tài)刺激范式（整合人臉照片和對應(yīng)姓名聲音）和混合原型持續(xù)學(xué)習(xí)方法（Hybrid Prototype-based Continual Learning, HPC），顯著提升了系統(tǒng)在意識障礙患者中的診斷準(zhǔn)確性和臨床適用性。
2. 方法與結(jié)果
（1）多模態(tài)刺激范式
本研究設(shè)計了一種新穎的多模態(tài)BCI范式，將受試者熟悉的人臉照片和姓名聲音相結(jié)合，以增強P300信號的誘發(fā)效果。實驗結(jié)果表明，這種范式能夠顯著提升P300信號的幅度和信噪比，尤其在視覺和聽覺皮層的ERP波形中表現(xiàn)出更強的信號整合能力。與傳統(tǒng)的單一視覺刺激相比，多模態(tài)刺激范式在P300誘發(fā)效果上具有顯著優(yōu)勢。
（2）混合原型持續(xù)學(xué)習(xí)方法
HPC方法的核心在于通過構(gòu)建歷史任務(wù)的原型，并在新任務(wù)引入時選擇性地整合相似和不相似的原型。具體而言，不相似的原型通過混合和掩蔽的方式被處理，而相似的原型則通過注意力機制進(jìn)行合并，從而有效防止災(zāi)難性遺忘。實驗結(jié)果表明，HPC在健康受試者的P300拼寫任務(wù)中達(dá)到了98.33%的準(zhǔn)確率，在臨床環(huán)境中對意識障礙患者的診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了95.50%，驗證了系統(tǒng)的臨床潛力。
（3）意識障礙臨床驗證
通過在10名健康受試者和10名意識障礙患者的實驗中，本研究進(jìn)一步驗證了系統(tǒng)的臨床可行性。實驗結(jié)果表明，健康受試者的平均準(zhǔn)確率在第四輪刺激中達(dá)到90%，而微意識狀態(tài)的意識障礙患者的平均準(zhǔn)確率在第七輪刺激中達(dá)到70%。此外，HPC在持續(xù)學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出良好的反向轉(zhuǎn)移能力和正向轉(zhuǎn)移能力，BWT值為+0.47%，F(xiàn)TP值為+8.58%，BTP值為+0.34%。
3. 結(jié)論
本研究提出的跨受試者P300腦機接口系統(tǒng)通過結(jié)合多模態(tài)刺激范式和混合原型持續(xù)學(xué)習(xí)方法，顯著提升了意識障礙患者的意識水平評估和預(yù)后預(yù)測能力。持續(xù)學(xué)習(xí)方法在防止災(zāi)難性遺忘的同時，能夠有效整合歷史任務(wù)的經(jīng)驗，提升系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。該系統(tǒng)不僅在多種臨床任務(wù)中表現(xiàn)出色，還為腦機接口技術(shù)的臨床應(yīng)用提供了新的思路和方法。未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步優(yōu)化任務(wù)相似性評估算法，探索更多模態(tài)的融合，并構(gòu)建更大規(guī)模的EEG數(shù)據(jù)集，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能和普適性。
