CN101912255A - 基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统。包括：实时功能磁共振数据读取与格式转化模块，实时功能定位检测模块，实时反馈刺激模块。实时功能定位检测模块将受训者在特定任务下大脑的活动模式提取出来，通过反馈刺激模块将其激活脑区的活动状态同时以视觉方式呈现给受训者，受训者通过学习控制激活脑区的活动水平达到调节特定认知功能的作用。本发明通过功能磁共振信号在线检测大脑的激活状态，并实时反馈给受训练者；通过反复训练调控大脑的认知活动水平，提高或恢复受训者相应的认知功能。本发明在脑功能机制研究、大脑感知与认知能力的调节、与认知相关的疾病治疗等方面具有重要的社会价值。

Description

基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统

技术领域

本发明涉及一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，具体是指通过快速获取和在线分析脑磁共振功能图像，使受训者实时观测自己大脑在特定任务下的活动状态，进而调节该脑区的活动以达到改善或恢复相应的认知功能。本发明属于信息处理技术在认知神经科学中的应用领域。

背景技术

生物反馈是指通过将在线采集到的生理参数反馈给个体，使其学会如何调节并达到改善相应生理活动的过程，其中对大脑活动的反馈调节被称作“神经反馈”。神经反馈中的信息通常与思维、情感和行为相关联，最早的研究始于基于脑电(EEG)的神经反馈实验，如癫痫治疗、睡眠治疗、注意缺陷、多动障碍等。然而，EEG的源定位能力非常有限，与EEG相反，功能磁共振成像技术(fMRI)因其较高的空间分辨率被广泛地应用在脑的功能定位研究中，特别是人脑的高级功能研究中。传统的功能磁共振成像研究受分析步骤和分析方法的限制，通常是采集数据后进行离线处理，这既使得研究者无法及时了解实验的进展，也使得fMRI应用在神经反馈的研究受限。随着磁共振快速成像技术的日趋成熟和计算机运算能力的翻新，实时功能磁共振成像(rtfMRI)应运而生，这种神经反馈方式强烈依赖于fMRI数据的获取和处理技术。

rtfMRI神经反馈的第一个可行性研究来自美国的Yoo S团队，他们使受训者不仅看到他们自己大脑在感觉运动区的活动状态，而且训练受训者按照实验范式使该脑区信号增强或减弱，借助反馈训练的帮助使获得的血氧反应得到增强。尽管反馈在动作之后延迟了大约20秒，并不是准确的实时，但它证明了反馈fMRI信息给受训者是有用的。此外，一些基于fMRI的训练研究表明，通过训练，受训者可以自主控制与特定认知功能(如：运动加工、听觉加工、语言加工和情绪加工等)密切相关脑区的激活状况，因此，这些研究为人们在rtfMRI系统中利用神经反馈，通过控制脑区激活状态来调节特定认知功能提供了科学依据。

基于rtfMRI，可以将受训者脑功能数据的分析结果实时的反馈回受训者，这就形成了神经反馈，它为认知心理学提供了新的研究手段。在神经反馈研究中，受训者通过反馈训练学习可以用意识控制自身相关脑区按照指定的方式活动。在传统的实验中，脑区的激活被认为是依赖于实验给定刺激(视觉或听觉形式)的因变量。也就是说研究的出发点是探求给定刺激对人脑活动有何影响。相比之下，神经生物反馈允许人们来研究脑区活动的自我调控对行为的影响。也就是说自我意识调控可以被当作是自变量而行为表现可以被当作是因变量。这一点是对传统实验模式的突破。此外，对功能受损脑区的康复训练可以通过反馈相关脑区的活动，按照一定的策略，使受训者学会提高这些脑区的活动强度，不断强化受损脑区功能，进而加强与之相关行为能力的表现，达到最佳康复效果。

发明内容

为此，我们提出了一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，它不仅可以将特定任务下大脑的激活模式实时地呈现出来(每一个扫描脉冲重复间隔时间TR内完成)，而且可以将特定区域的活动信号反馈给受训者，通过训练受训者可以调节该信号的增强或减弱。该系统不仅可以应用于运动、听觉、语言、情绪认知功能的调节，而且还可以应用于学习等更高级的认知功能调节，为促进学习与发展以及临床康复训练提供新的途径。

一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，包括：

实时功能磁共振数据读取与格式转化模块，用于实时读取磁共振扫描系统控制台传输的大脑功能磁共振数据，并进行数据格式转换以及数据信息存储；

实时功能定位检测模块，对实时读取的大脑功能磁共振数据进行预处理，并根据实时功能定位提取大脑的活动模式，在一个扫描脉冲重复间隔时间内完成；

实时反馈刺激模块，将大脑活动状态在下一个扫描脉冲重复间隔到来前在线呈现给受训者本人。

所述的实时功能磁共振数据读取与格式转化模块，用于实时读取磁共振扫描系统控制台的大脑功能磁共振数据，同时进行格式转换后与扫描参数信息存储为三维矩阵数据结构文件。磁共振扫描仪采用平面回波成像序列扫描反映血氧水平变化的磁共振功能像，序列设置要求每完成一次成像的时间(即一个扫描脉冲重复间隔时间TR)就传输一幅扫描图像，对应着一个时间点的功能像，功能像上每个体素的值代表相应血氧变化信号的大小，扫描图像经图像重构由局域网传输至扫描系统控制台。

所述的实时功能定位检测模块主要包括实时预处理模块和实时定位模块，实时预处理模块用于进行快速头动检测并校正，去除信号基线漂移，降低脑磁图像中的伪影和噪声；实时定位模块用于对图像数据进行统计建模分析，提取和实验任务相关的激活区域。实时功能定位检测模块在下一个TR到来之前可以完成全部处理过程。另外，实时功能定位检测模块还包括显示记录模块，显示记录模块可以实时显示受训者的大脑活动模式以及指定区域的血氧水平时间序列信号，供研究人员观察，此模块同时保存处理中间和处理后的结果，供研究者后期分析使用、评估系统运行。

所述实时反馈刺激模块将激活区域的时间序列信号提取出来，并叠加在实验任务设计曲线背景上实时呈现给受训者，受训者采用一定的调节策略(针对不同的认知实验任务有不同的适用策略)使该脑区的信号随着任务的变化增强或减弱以达到自主调节大脑特定区域的活动。

本发明的优势在于提供了一种高空间分辨率的神经反馈模式，通过将基于功能磁共振信号的脑区活动信息提取出来，同时实时反馈给受训练者，让其了解自己的状态，并有意识地学习控制自己的大脑激活模式，通过反复训练产生持久效应，改善大脑的认知功能水平；此外该反馈模式也是一种新颖的脑功能障碍患者的康复手段，可以训练患者强化受损脑区功能，改善行为能力。与离线的训练相比，基于实时功能磁共振信号的反馈调节方式更能准确反映、充分调动受训者的内在潜力，效果较好。

附图说明

图1：基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统构成示意图

图2：本发明的总体软件结构图

图3：本发明的大脑实时功能定位示意图

图4：本发明的实时反馈刺激示意图

图5：本发明的系统运行时序图

具体实施方式

图1为基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统构成示意图，包括：

(1)磁共振扫描系统，作为脑功能信号的采集设备，通过设置实时扫描序列将采集到的DICOM格式的磁共振功能数据实时输出，即在每一个扫描脉冲重复间隔时间TR内完成一次三维脑的功能数据采集、重构并输出；

(2)实时数据分析和反馈输出，对扫描传输来的数据进行格式转换、预处理、功能定位检测、结果输出等处理，得到相应任务下的大脑激活图，显示并标识与任务相关的激活脑区；该系统所需计算机要求能够输出至少三路视频信号，其中两路视频信号提供给实验操作者，另外一路发送给受训者；

(3)反馈刺激呈现，提取任务相关脑区的时间序列信号代表其活动状态，将该信号作为反馈信号发送至强磁场兼容刺激呈现设备提供给受训者，该结果将在每一个扫描脉冲重复间隔时间更新一次。

图2为基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统的总体软件结构图，由数据读取与格式转换模块、实时预处理模块、实时定位分析模块和反馈刺激呈现模块组成。数据读取与格式转换模块将在线读取到的DICOM图像数据转换为后续模块所需格式的图像数据，同时提取其中的扫描参数并存储为配置文件。实时预处理模块包括头动校正模块、基线校正和空间平滑模块。其中头动校正模块采用刚体变换进行检测和校正，一般只需移动和旋转即可。在三维空间内可以用6个参数来表示这种变换，即3个平移参数和3个旋转参数，3个平移参数分别代表沿着三个坐标轴X，Y，Z方向的平移量，3个旋转参数分别代表沿着X，Y，Z的旋转弧度，图像的变换通过矩阵相乘实现。通过使变换前后图像间灰度值的平方差之和达到最小就可以估计得到6个最优参数。空间平滑模块采用三维的高斯核函数进行图像的低通滤波，使数据更接近高斯随机场模型，适合于后面的统计分析。

实时定位分析模块采用积累式广义线性模型进行统计建模分析，将每一个体素的全部时间序列来估计最优的回归因子权重值。广义线性模型可以表示为y＝βX+e，其中y代表一个体素的时间序列信号，X是设计矩阵，e是服从标准正态分布的误差向量。采用递归最小二乘法从基于上一个时间点计算的估计值来推导出当前时间点的估计值，可以得到权重系数向量β的估计值：

${\widehat{\mathrm{\β}}}_{t+1}={\widehat{\mathrm{\β}}}_t+{\left({X_t}^T{X}_t\right)}^{-1}{x}_{t+1}\frac{(y_{t+1}-x_{t+1}{\widehat{\mathrm{\β}}}_t)}{f_t}$

随着时间点的增加，利用新时间点增加的X_t+1：

${\left(X_{t+1}^T{X}_{t+1}\right)}^{-1}={\left(X_t^T{X}_t\right)}^{-1}-\frac{{\left(X_t^T{X}_t\right)}^{-1}\left(x_{t+1}{x}_{t+1}^T\right){\left(X_t^T{X}_t\right)}^{-1}}{f_{t+1}}$

β的估计值可以被不断更新，同时使得分析非常快速并且能保证在每个时间点所消耗的计算时间是个固定值。对β进行统计量的计算和假设检验就可以判断该体素是否显著激活，完成功能定位的实时检测。

头动校正模块、基线校正模块、空间平滑模块和实时定位分析模块共同构成实时功能定位检测模块，与其他两个模块可独立并行运行，每一个模块运行时都先搜索上一步处理的数据是否已经到达并可用，然后再进行处理以保证数据处理的鲁棒性。整个系统界面直观、便于使用。

反馈刺激呈现模块将激活区域的时间序列信号叠加到实验任务设计曲线的背景上，将该信号作为反馈信号以图片的形式存储起来，同时发送至刺激呈现设备，时间序列信号及实验任务设计曲线背景均在每一个扫描脉冲重复间隔更新一次，每张图片的更替以下一张图片的可用为条件进行更新。

本发明所涉及的系统工作过程如下：(1)受训者扫描前进行系统使用指导训练，然后在磁共振扫描仪内按照研究者的要求完成特定认知实验任务，如运动想象实验任务，受训者按照一定的策略想象动手、游泳、拳击等动作，但全身不得有任何动作仅限于大脑想象，扫描仪扫描受训者大脑的磁共振功能像，经过图像重构格式转换被实时传送到用于分析的计算机上进行图像的实时预处理和实时定位分析。(2)实时预处理主要包括快速头动校正用于检测受训者在扫描时头动引起的伪影并进行校正、去除基线漂移用于校正基线去除漂移、空间平滑滤波用于降低扫描过程中仪器本身引起的伪影和噪声。实时定位分析采用累积式广义线性模型逐像素点同时进行统计分析以实现大脑激活模式的快速检测，大脑激活示例参见图3。(3)将激活区域的时间序列随时间变化地逐渐呈现给受训者，受训者采用一定的调节策略(针对不同的认知实验任务有不同的适用策略)使该脑区的信号随着任务的变化增强或减弱以达到自主调节大脑特定区域的活动。如图4所示，受训者控制激活区域的时间序列信号(表示为红色曲线)随背景条不断滚动，不同颜色的背景用来提示本时段要完成的任务，如在灰色条时要使曲线下降，在绿色条时要使曲线上升，通过反复的训练可以使受训者的运动功能有所改善，特别是用于脑功能受损的受训者，如中风后运动功能障碍的患者通过这种调节方式可以进行运动功能的康复训练。

图5为本发明所涉及的系统运行时序图，包括各个模块的运行时间以及数据在局域网内的传输时间，这些时间的总和满足小于磁共振扫描仪所设定的TR，即达到实时性的要求，并且这个时间和TR的比率越小，系统应对由于数据源到达不稳定的容错能力就越强，同时短的延迟时间对良好的自我学习和调节的反馈效果非常有利。

Claims (4)

1.基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，其特征在于，包括：

(1)实时功能磁共振数据读取与格式转化模块，用于实时读取磁共振扫描系统控制台传输的大脑功能磁共振数据，并进行数据格式转换以及数据信息存储；

(2)实时功能定位检测模块，对实时读取的大脑功能磁共振数据进行预处理，并根据实时功能定位提取大脑的活动模式，在一个扫描脉冲重复间隔时间内完成；

(3)实时反馈刺激模块，将大脑活动状态在下一个扫描脉冲重复间隔到来前在线呈现给受训者本人。

2.如权利要求1所述的基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，其实时功能磁共振数据读取与格式转化模块特征在于，包括：功能磁共振数据实时读取与识别，将在线读取的实时功能磁共振数据转换为实时功能定位检测模块所需格式的图像数据，存储扫描参数文件。

3.如权利要求1所述的基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，其实时功能定位检测模块特征在于，包括：实时预处理模块，用于检测并校正头动伪影、基线校正、滤波降噪等图像预处理；实时定位分析模块，采用实时广义线性模型提取大脑的空间激活模式，显示并标识与任务相关的激活脑区。

4.如权利要求1所述的基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，其实时反馈激磁模块特征在于，包括：提取任务相关脑区的时间序列信号代表其活动状态，将时间序列信号叠加在实验任务设计曲线背景上，通过刺激器投影实时呈现给受训者。

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