專利名稱：基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，具體是指通過快速獲 取和在線分析腦磁共振功能圖像，使受訓者實時觀測自己大腦在特定任務下的活動狀態(tài)， 進而調(diào)節(jié)該腦區(qū)的活動以達到改善或恢復相應的認知功能。本發(fā)明屬于信息處理技術(shù)在認 知神經(jīng)科學中的應用領域。
背景技術(shù)：
生物反饋是指通過將在線采集到的生理參數(shù)反饋給個體，使其學會如何調(diào)節(jié)并達 到改善相應生理活動的過程，其中對大腦活動的反饋調(diào)節(jié)被稱作“神經(jīng)反饋”。神經(jīng)反饋中 的信息通常與思維、情感和行為相關聯(lián)，最早的研究始于基于腦電(EEG)的神經(jīng)反饋實驗， 如癲癇治療、睡眠治療、注意缺陷、多動障礙等。然而，EEG的源定位能力非常有限，與EEG相 反，功能磁共振成像技術(shù)(fMRI)因其較高的空間分辨率被廣泛地應用在腦的功能定位研 究中，特別是人腦的高級功能研究中。傳統(tǒng)的功能磁共振成像研究受分析步驟和分析方法 的限制，通常是采集數(shù)據(jù)后進行離線處理，這既使得研究者無法及時了解實驗的進展，也使 得fMRI應用在神經(jīng)反饋的研究受限。隨著磁共振快速成像技術(shù)的日趨成熟和計算機運算 能力的翻新，實時功能磁共振成像(rtfMRI)應運而生，這種神經(jīng)反饋方式強烈依賴于fMRI 數(shù)據(jù)的獲取和處理技術(shù)。rtfMRI神經(jīng)反饋的第一個可行性研究來自美國的Yoo S團隊，他們使受訓者不僅看 到他們自己大腦在感覺運動區(qū)的活動狀態(tài)，而且訓練受訓者按照實驗范式使該腦區(qū)信號增強 或減弱，借助反饋訓練的幫助使獲得的血氧反應得到增強。盡管反饋在動作之后延遲了大約 20秒，并不是準確的實時，但它證明了反饋fMRI信息給受訓者是有用的。此外，一些基于fMRI 的訓練研究表明，通過訓練，受訓者可以自主控制與特定認知功能(如運動加工、聽覺加工、 語言加工和情緒加工等)密切相關腦區(qū)的激活狀況，因此，這些研究為人們在rt預RI系統(tǒng)中 利用神經(jīng)反饋，通過控制腦區(qū)激活狀態(tài)來調(diào)節(jié)特定認知功能提供了科學依據(jù)?；趓tfMRI，可以將受訓者腦功能數(shù)據(jù)的分析結(jié)果實時的反饋回受訓者，這就形 成了神經(jīng)反饋，它為認知心理學提供了新的研究手段。在神經(jīng)反饋研究中，受訓者通過反饋 訓練學習可以用意識控制自身相關腦區(qū)按照指定的方式活動。在傳統(tǒng)的實驗中，腦區(qū)的激 活被認為是依賴于實驗給定刺激(視覺或聽覺形式)的因變量。也就是說研究的出發(fā)點是 探求給定刺激對人腦活動有何影響。相比之下，神經(jīng)生物反饋允許人們來研究腦區(qū)活動的 自我調(diào)控對行為的影響。也就是說自我意識調(diào)控可以被當作是自變量而行為表現(xiàn)可以被當 作是因變量。這一點是對傳統(tǒng)實驗模式的突破。此外，對功能受損腦區(qū)的康復訓練可以通 過反饋相關腦區(qū)的活動，按照一定的策略，使受訓者學會提高這些腦區(qū)的活動強度，不斷強 化受損腦區(qū)功能，進而加強與之相關行為能力的表現(xiàn)，達到最佳康復效果。

發(fā)明內(nèi)容
為此，我們提出了一種基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，它不僅可以將特定任務下大腦的激活模式實時地呈現(xiàn)出來(每一個掃描脈沖重復間隔時間TR內(nèi)完成)， 而且可以將特定區(qū)域的活動信號反饋給受訓者，通過訓練受訓者可以調(diào)節(jié)該信號的增強或 減弱。該系統(tǒng)不僅可以應用于運動、聽覺、語言、情緒認知功能的調(diào)節(jié)，而且還可以應用于學 習等更高級的認知功能調(diào)節(jié)，為促進學習與發(fā)展以及臨床康復訓練提供新的途徑。一種基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，包括實時功能磁共振數(shù)據(jù)讀取與格式轉(zhuǎn)化模塊，用于實時讀取磁共振掃描系統(tǒng)控制臺 傳輸?shù)拇竽X功能磁共振數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)信息存儲；實時功能定位檢測模塊，對實時讀取的大腦功能磁共振數(shù)據(jù)進行預處理，并根據(jù) 實時功能定位提取大腦的活動模式，在一個掃描脈沖重復間隔時間內(nèi)完成；實時反饋刺激模塊，將大腦活動狀態(tài)在下一個掃描脈沖重復間隔到來前在線呈現(xiàn) 給受訓者本人。所述的實時功能磁共振數(shù)據(jù)讀取與格式轉(zhuǎn)化模塊，用于實時讀取磁共振掃描系統(tǒng) 控制臺的大腦功能磁共振數(shù)據(jù)，同時進行格式轉(zhuǎn)換后與掃描參數(shù)信息存儲為三維矩陣數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)文件。磁共振掃描儀采用平面回波成像序列掃描反映血氧水平變化的磁共振功能像， 序列設置要求每完成一次成像的時間(即一個掃描脈沖重復間隔時間TR)就傳輸一幅掃描 圖像，對應著一個時間點的功能像，功能像上每個體素的值代表相應血氧變化信號的大小， 掃描圖像經(jīng)圖像重構(gòu)由局域網(wǎng)傳輸至掃描系統(tǒng)控制臺。所述的實時功能定位檢測模塊主要包括實時預處理模塊和實時定位模塊，實時預 處理模塊用于進行快速頭動檢測并校正，去除信號基線漂移，降低腦磁圖像中的偽影和噪 聲；實時定位模塊用于對圖像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計建模分析，提取和實驗任務相關的激活區(qū)域。實 時功能定位檢測模塊在下一個TR到來之前可以完成全部處理過程。另外，實時功能定位檢 測模塊還包括顯示記錄模塊，顯示記錄模塊可以實時顯示受訓者的大腦活動模式以及指定 區(qū)域的血氧水平時間序列信號，供研究人員觀察，此模塊同時保存處理中間和處理后的結(jié) 果，供研究者后期分析使用、評估系統(tǒng)運行。所述實時反饋刺激模塊將激活區(qū)域的時間序列信號提取出來，并疊加在實驗任務 設計曲線背景上實時呈現(xiàn)給受訓者，受訓者采用一定的調(diào)節(jié)策略(針對不同的認知實驗任 務有不同的適用策略)使該腦區(qū)的信號隨著任務的變化增強或減弱以達到自主調(diào)節(jié)大腦 特定區(qū)域的活動。本發(fā)明的優(yōu)勢在于提供了一種高空間分辨率的神經(jīng)反饋模式，通過將基于功能磁 共振信號的腦區(qū)活動信息提取出來，同時實時反饋給受訓練者，讓其了解自己的狀態(tài)，并有 意識地學習控制自己的大腦激活模式，通過反復訓練產(chǎn)生持久效應，改善大腦的認知功能 水平；此外該反饋模式也是一種新穎的腦功能障礙患者的康復手段，可以訓練患者強化受 損腦區(qū)功能，改善行為能力。與離線的訓練相比，基于實時功能磁共振信號的反饋調(diào)節(jié)方式 更能準確反映、充分調(diào)動受訓者的內(nèi)在潛力，效果較好。


圖1 基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)構(gòu)成示意2 本發(fā)明的總體軟件結(jié)構(gòu)3 本發(fā)明的大腦實時功能定位示意圖
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圖4 本發(fā)明的實時反饋刺激示意5 本發(fā)明的系統(tǒng)運行時序圖
具體實施例方式圖1為基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，包括(1)磁共振掃描系統(tǒng)，作為腦功能信號的采集設備，通過設置實時掃描序列將采集 到的DICOM格式的磁共振功能數(shù)據(jù)實時輸出，即在每一個掃描脈沖重復間隔時間TR內(nèi)完成 一次三維腦的功能數(shù)據(jù)采集、重構(gòu)并輸出；(2)實時數(shù)據(jù)分析和反饋輸出，對掃描傳輸來的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、預處理、功能 定位檢測、結(jié)果輸出等處理，得到相應任務下的大腦激活圖，顯示并標識與任務相關的激活 腦區(qū)；該系統(tǒng)所需計算機要求能夠輸出至少三路視頻信號，其中兩路視頻信號提供給實驗 操作者，另外一路發(fā)送給受訓者；(3)反饋刺激呈現(xiàn)，提取任務相關腦區(qū)的時間序列信號代表其活動狀態(tài)，將該信號 作為反饋信號發(fā)送至強磁場兼容刺激呈現(xiàn)設備提供給受訓者，該結(jié)果將在每一個掃描脈沖 重復間隔時間更新一次。圖2為基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)的總體軟件結(jié)構(gòu)圖，由數(shù)據(jù)讀取 與格式轉(zhuǎn)換模塊、實時預處理模塊、實時定位分析模塊和反饋刺激呈現(xiàn)模塊組成。數(shù)據(jù)讀取 與格式轉(zhuǎn)換模塊將在線讀取到的DICOM圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為后續(xù)模塊所需格式的圖像數(shù)據(jù)，同 時提取其中的掃描參數(shù)并存儲為配置文件。實時預處理模塊包括頭動校正模塊、基線校正 和空間平滑模塊。其中頭動校正模塊采用剛體變換進行檢測和校正，一般只需移動和旋轉(zhuǎn) 即可。在三維空間內(nèi)可以用6個參數(shù)來表示這種變換，即3個平移參數(shù)和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，3 個平移參數(shù)分別代表沿著三個坐標軸X，Y，Z方向的平移量，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)分別代表沿著X， Y，Z的旋轉(zhuǎn)弧度，圖像的變換通過矩陣相乘實現(xiàn)。通過使變換前后圖像間灰度值的平方差 之和達到最小就可以估計得到6個最優(yōu)參數(shù)?？臻g平滑模塊采用三維的高斯核函數(shù)進行圖 像的低通濾波，使數(shù)據(jù)更接近高斯隨機場模型，適合于后面的統(tǒng)計分析。實時定位分析模塊采用積累式廣義線性模型進行統(tǒng)計建模分析，將每一個體素的 全部時間序列來估計最優(yōu)的回歸因子權(quán)重值。廣義線性模型可以表示為y=日乂+^其中7 代表一個體素的時間序列信號，X是設計矩陣，e是服從標準正態(tài)分布的誤差向量。采用遞 歸最小二乘法從基于上一個時間點計算的估計值來推導出當前時間點的估計值，可以得到 權(quán)重系數(shù)向量β的估計值 隨著時間點的增加，利用新時間點增加的Xt+1 β的估計值可以被不斷更新，同時使得分析非?？焖俨⑶夷鼙ＷC在每個時間點所 消耗的計算時間是個固定值。對β進行統(tǒng)計量的計算和假設檢驗就可以判斷該體素是否 顯著激活，完成功能定位的實時檢測。頭動校正模塊、基線校正模塊、空間平滑模塊和實時定位分析模塊共同構(gòu)成實時
5功能定位檢測模塊，與其他兩個模塊可獨立并行運行，每一個模塊運行時都先搜索上一步 處理的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)到達并可用，然后再進行處理以保證數(shù)據(jù)處理的魯棒性。整個系統(tǒng)界 面直觀、便于使用。反饋刺激呈現(xiàn)模塊將激活區(qū)域的時間序列信號疊加到實驗任務設計曲線的背景 上，將該信號作為反饋信號以圖片的形式存儲起來，同時發(fā)送至刺激呈現(xiàn)設備，時間序列信 號及實驗任務設計曲線背景均在每一個掃描脈沖重復間隔更新一次，每張圖片的更替以下 一張圖片的可用為條件進行更新。本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)工作過程如下(1)受訓者掃描前進行系統(tǒng)使用指導訓練， 然后在磁共振掃描儀內(nèi)按照研究者的要求完成特定認知實驗任務，如運動想象實驗任務， 受訓者按照一定的策略想象動手、游泳、拳擊等動作，但全身不得有任何動作僅限于大腦想 象，掃描儀掃描受訓者大腦的磁共振功能像，經(jīng)過圖像重構(gòu)格式轉(zhuǎn)換被實時傳送到用于分 析的計算機上進行圖像的實時預處理和實時定位分析。(2)實時預處理主要包括快速頭動 校正用于檢測受訓者在掃描時頭動引起的偽影并進行校正、去除基線漂移用于校正基線去 除漂移、空間平滑濾波用于降低掃描過程中儀器本身引起的偽影和噪聲。實時定位分析采 用累積式廣義線性模型逐像素點同時進行統(tǒng)計分析以實現(xiàn)大腦激活模式的快速檢測，大腦 激活示例參見圖3。(3)將激活區(qū)域的時間序列隨時間變化地逐漸呈現(xiàn)給受訓者，受訓者采 用一定的調(diào)節(jié)策略(針對不同的認知實驗任務有不同的適用策略)使該腦區(qū)的信號隨著任 務的變化增強或減弱以達到自主調(diào)節(jié)大腦特定區(qū)域的活動。如圖4所示，受訓者控制激活 區(qū)域的時間序列信號(表示為紅色曲線)隨背景條不斷滾動，不同顏色的背景用來提示本 時段要完成的任務，如在灰色條時要使曲線下降，在綠色條時要使曲線上升，通過反復的訓 練可以使受訓者的運動功能有所改善，特別是用于腦功能受損的受訓者，如中風后運動功 能障礙的患者通過這種調(diào)節(jié)方式可以進行運動功能的康復訓練。圖5為本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)運行時序圖，包括各個模塊的運行時間以及數(shù)據(jù)在局 域網(wǎng)內(nèi)的傳輸時間，這些時間的總和滿足小于磁共振掃描儀所設定的TR，即達到實時性的 要求，并且這個時間和TR的比率越小，系統(tǒng)應對由于數(shù)據(jù)源到達不穩(wěn)定的容錯能力就越 強，同時短的延遲時間對良好的自我學習和調(diào)節(jié)的反饋效果非常有利。
權(quán)利要求
基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，其特征在于，包括(1)實時功能磁共振數(shù)據(jù)讀取與格式轉(zhuǎn)化模塊，用于實時讀取磁共振掃描系統(tǒng)控制臺傳輸?shù)拇竽X功能磁共振數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)信息存儲；(2)實時功能定位檢測模塊，對實時讀取的大腦功能磁共振數(shù)據(jù)進行預處理，并根據(jù)實時功能定位提取大腦的活動模式，在一個掃描脈沖重復間隔時間內(nèi)完成；(3)實時反饋刺激模塊，將大腦活動狀態(tài)在下一個掃描脈沖重復間隔到來前在線呈現(xiàn)給受訓者本人。
2.如權(quán)利要求1所述的基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，其實時功能磁共振 數(shù)據(jù)讀取與格式轉(zhuǎn)化模塊特征在于，包括功能磁共振數(shù)據(jù)實時讀取與識別，將在線讀取的 實時功能磁共振數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實時功能定位檢測模塊所需格式的圖像數(shù)據(jù)，存儲掃描參數(shù)文 件。
3.如權(quán)利要求1所述的基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，其實時功能定位檢 測模塊特征在于，包括實時預處理模塊，用于檢測并校正頭動偽影、基線校正、濾波降噪等 圖像預處理；實時定位分析模塊，采用實時廣義線性模型提取大腦的空間激活模式，顯示并 標識與任務相關的激活腦區(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，其實時反饋激磁模 塊特征在于，包括提取任務相關腦區(qū)的時間序列信號代表其活動狀態(tài)，將時間序列信號疊 加在實驗任務設計曲線背景上，通過刺激器投影實時呈現(xiàn)給受訓者。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于實時功能磁共振信號的神經(jīng)反饋系統(tǒng)。包括實時功能磁共振數(shù)據(jù)讀取與格式轉(zhuǎn)化模塊，實時功能定位檢測模塊，實時反饋刺激模塊。實時功能定位檢測模塊將受訓者在特定任務下大腦的活動模式提取出來，通過反饋刺激模塊將其激活腦區(qū)的活動狀態(tài)同時以視覺方式呈現(xiàn)給受訓者，受訓者通過學習控制激活腦區(qū)的活動水平達到調(diào)節(jié)特定認知功能的作用。本發(fā)明通過功能磁共振信號在線檢測大腦的激活狀態(tài)，并實時反饋給受訓練者；通過反復訓練調(diào)控大腦的認知活動水平，提高或恢復受訓者相應的認知功能。本發(fā)明在腦功能機制研究、大腦感知與認知能力的調(diào)節(jié)、與認知相關的疾病治療等方面具有重要的社會價值。
文檔編號A61B5/00GK101912255SQ20101024913
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者姚力, 李熠, 趙小杰 申請人:北京師范大學