基于贝叶斯因子的连续听觉脑干反应检测方法研究

【字体: 时间:2025年05月16日 来源:Biomedical Signal Processing and Control 4.9

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  为解决临床检测听觉脑干反应(ABR)时视觉 inspection 存在主观性且效率低的问题,研究人员开展贝叶斯因子(BFs)作为客观 sequential test 的研究。发现 BFs 相比传统 CGST 平均检测时间缩短 60–70%,灵敏度和特异性良好,为临床提供更高效客观的检测手段。

  在临床听力检测的世界里,听觉脑干反应(Auditory Brainstem Response, ABR)如同隐藏在噪声海洋中的微弱信号,承载着诊断听力损失、神经系统疾病等重要信息。然而,传统的 ABR 检测依赖临床医生对数据的视觉观察,这种主观判断不仅容易出现 examiner 间的结果差异,还可能因人为误判导致漏诊或误诊。同时,检测过程中需要多次重复刺激并平均波形来提高信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR),耗时较长,如何在保证准确性的前提下提升检测效率,成为困扰领域内的一大难题。为了突破这一困境,来自相关研究机构的科研人员将目光投向了贝叶斯因子(Bayes Factors, BFs)这一统计学工具,试图开发一种客观、高效的连续检测方法,相关研究成果发表在《Biomedical Signal Processing and Control》。
研究人员开展了一系列研究,旨在评估 BFs 作为客观连续检测手段在 ABR 检测中的性能,并与现有的卷积组序贯检验(Convolutional Group Sequential Test, CGST)进行对比。

研究主要采用了以下关键技术方法:首先是数据模拟与采集,利用频率域 bootstrap(FDB)方法模拟脑电背景活动,结合真实记录的 chirp 诱发 ABR 波形构建多样化的 ABR 模板,用于模拟不同信噪比条件下的检测场景;其次是 BFs 检测方法的构建,基于时域 Hotelling’s T2检验提取 F 统计量,通过定义 “ABR 存在”(H1)和 “ABR 不存在”(H0)两种假设,计算 BF 值(H1与 H0的似然比),并设置 BFHigh和 BFLow阈值用于决策;同时,引入 CGST 作为对照方法,该方法通过数值卷积构建检验统计量的零分布,分阶段控制假阳性率(False-Positive Rate, FPR)和真阳性率(True-Positive Rate, TPR)。研究数据包括 17 名正常听力成人的无刺激脑电记录和 31 名成人(含 9 名听力损失者)的 chirp 诱发 ABR 记录。

模拟数据中的性能评估


在模拟数据中,研究对比了 BFs 与 CGST 的检测效率和准确性。结果显示,BFs 在保持相同灵敏度和特异性的前提下,平均检测时间较 CGST 缩短 60–70%。BFs 的检测时间与数据噪声水平相关,噪声较低时能快速做出判断,而噪声较高时通过延长检测时间保证灵敏度,但 FPR 会随噪声水平出现小幅波动(<0.01)。相比之下,CGST 检测时间固定,FPR 控制更严格,但灵敏度控制较弱。

不同噪声条件下的鲁棒性测试


进一步评估不同噪声条件的影响发现,CGST 的检测率受噪声水平影响显著,例如当 ABR 峰谷振幅(Peak-to-Trough Amplitude, PTTa)为 0.2 μV 时,噪声减半、不变、加倍条件下的检测率分别为 > 0.999、0.71、0.22;而 BFs 的检测率更为稳定(0.77、0.72、0.68),代价是检测时间随噪声增加而延长(22.2 秒→76.4 秒→284.3 秒),显示出 BFs 在不同噪声环境下的适应性。

真实数据中的验证


在受试者记录的 chirp 诱发 ABR 数据中,对于较高刺激水平(≥20 dB SL),BFs(采用指数、均匀或高斯先验)展现出更高的检测率和更低的平均检测时间;在低刺激水平(<20 dB SL),BFs 也表现出一定优势。此外,无刺激脑电数据显示 BFs 的 FPR 控制在预期范围内,验证了其在真实场景中的特异性。

研究结论表明,BFs 作为一种连续检测方法,相比传统 CGST 在 ABR 检测中具有显著的效率优势,平均检测时间缩短 60–70%,同时保持了良好的灵敏度和特异性。其通过频繁反馈(每约 3 秒)和无最大检测时间限制的特点,能更好地适应临床不同噪声环境和检测需求。尽管 BFs 的 FPR 受噪声水平影响,但其基于 ABR 峰谷振幅这一临床常用指标构建先验分布,结果易于解释,有望整合到现有临床流程中。不同先验分布的选择影响检测性能,单点先验在检测小振幅 ABR 时表现更优,为临床处理挑战性病例提供了有力工具。该研究为 ABR 检测提供了一种灵活、高效、客观的新方法,有助于减少主观误差,提升诊断效率,尤其在新生儿听力筛查、听力损失诊断等场景中具有重要应用价值。未来研究可进一步探索噪声水平动态估计、个体化先验构建等方向,以优化 BFs 的临床适用性。

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