CN102600541A - 一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，利用功能磁共振技术，通过想象运动训练方式，调节大脑运动区的功能，达到改善运动技能学习能力或康复运动功能障碍的目的。本发明涉及的系统包括：信息采集模块、数据分析模块、管理模块、动画合成模块。信息采集模块获取运动想象任务下功能磁共振数据信息和扫描参数信息；数据分析模块对数据信息和参数信息进行实时分析，通过数据降噪、统计建模分析，提取运动状态信息；动画合成模块根据运动状态信息的变化控制跑步运动画面的切换时间及显示位置，在线合成跑步运动动画并呈现给受训者，交互式反映受训者运动脑区的活动状态；管理模块对训练进程和受训者信息等进行管理。

Description

一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统

技术领域

本发明涉及一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，该系统利用大脑运动区的功能磁共振信号交互式控制运动动画，以达到改善运动技能学习能力或康复运动功能障碍的目的。

背景技术

在运动技能学习与运动功能康复领域中，运动能力的改善可以通过较长时间的真实运动训练和想象运动训练两种方式来获取，其中想象运动训练方式特别适用于运动能力受损的患者。有研究表明，运动想象训练可以有效提高运动行为表现。然而，训练的时间与训练的有效性之间的关系仍存在着矛盾，甚至有时花费了大量的时间效果不佳，也没有合理的指标评估或预测后期的训练方案。神经影像技术的发展为人们寻找有效的策略、调节或改善某种运动功能提供了新的手段，大量的研究关注功能脑区与运动功能之间的关系，研究结果表明，想象运动与真实运动在脑功能活动区域上有极大的相似性(Gerardin et al.，2000；Stippich et al.，2002；Rodriguez et al.，2008；de Lange et al.，2008；Fleming et al.，2010)，这些区域主要涉及主运动区、辅助运动区、前运动区等。因此，利用功能磁共振成像(fMRI)技术可以为运动训练提供更合理的评估和预测指标，使人们从大脑的神经机制了解并应用运动训练的技术。目前国外已有关于运动想象训练的fMRI研究，fMRI技术在这些研究中的主要作用是提供训练前后运动脑区激活的变化，研究结果证实了运动想象训练在改善运动行为方面的有效性，并且运动行为的改变对应着大脑相应功能区域激活的改变，特别是前运动区功能活动的改变与运动行为的改变显著相关。但这种训练尚存在较多不足：1)训练时间较长；2)训练期间无法评估大脑运动区的活动演变过程；3)不能给受训者提供及时的训练效果以进行自我调整。这些问题影响人们制订有效的训练策略、进行客观的评价、以及及时的自我调整。

fMRI技术的突出优点是空间分辨率高，定位准确，借助fMRI可以找到运动训练最有效的运动脑区，如果能够将该脑区的fMRI信号实时提供给受训者，使其通过训练学习有意识地控制信号按照指定的方式变化，进行自我调整，就可以达到改善这个脑区的活动水平、强化脑区功能、进而加强与之相关行为能力的表现的目的。目前已有应用在听觉皮层、脑岛皮层、前扣带回皮层以及额下回等不同功能脑区的这类研究，这些脑区与听觉加工、语言加工和情绪加工等有着密切关系，而这些脑区激活模式的改变有可能改变人的认知能力。特别是，一些研究已尝试将其应用在临床上，如降低疼痛的感知、改善慢性耳鸣的症状等。这些研究为人们探索提高运动技能和运动康复的训练提供了科学依据。

发明内容

为此，我们提出了一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，它可以利用大脑运动区的功能磁共振信号交互控制运动动画，通过运动速度反映对大脑运动区活动状态的自我控制程度，达到改善运动技能学习能力或康复运动功能障碍的目的。

一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，包括：

信息采集模块，用于采集由受训者fMRI信号转换来的数据信息和扫描参数信息，采集的信息送入数据分析模块；

数据分析模块，用于对数据信息和参数信息进行实时分析，包括对数据的降噪处理、统计建模分析与结果显示、提取运动状态信息传递到动画模块；

管理模块，用于对训练进程和受训者信息进行管理，包括受训者的信息编辑、扫描参数信息的调用、训练进程所需形式及参数的设置，以及所有信息的存储；

动画合成模块，用于将运动状态信息合成为跑步运动的动画，根据运动状态信息的变化控制跑步运动画面的切换时间及显示位置，在线合成跑步运动动画并呈现给受训者，交互式反映受训者运动脑区的活动状态。

所述的信息采集模块，用于采集运动想象任务下由受训者的fMRI信号转换来的数据信息和扫描参数信息，包括必要图像信息输入，如定义路径，设定阈值搜索等待，数据格式转换，图像灰度校准。磁共振扫描仪每完成一次全脑fMRI图像扫描就采集一次信息。

所述的数据分析模块，用于对数据信息和参数信息进行实时分析，包括对数据的降噪处理、统计建模分析与结果显示、提取运动状态信息和传递扫描参数信息。数据的降噪处理主要是针对图像中的伪影和噪声进行伪影校正、去除基线漂移、空间平滑滤波。统计建模分析用于得到与训练进程相关的激活区域，并提取前运动区的激活强度作为受训者当前的运动状态信息；扫描参数信息不仅用于统计建模分析，同时也被传递给管理模块；另外，数据分析模块还包括显示与记录，可以实时显示受训者的激活图以及运动状态信息，供训练研究人员使用，此模块同时保存处理中间和处理后的结果，供研究人员后期分析使用、评估系统运行。

所述的管理模块，用于对训练进程和受训者信息，包括受训者的基本信息、扫描fMRI的基本信息、训练进程中训练和休息的起始结束时间信息、数据分析的参数信息、不同信息的配置文件路径等各种信息，进行编辑、保存、导入等管理。

所述的动画合成模块，用于将运动状态信息合成为跑步运动的动画，运动状态信息反映了当前前运动区的激活强度，根据该强度的大小控制跑步运动的每一帧画面之间的切换时间及显示位置，在线合成跑步运动动画并实时呈现给受训者，受训者按照动画的提示，通过调节自己前运动区的激活强度交互控制跑步运动的快慢，达到训练大脑运动区的目的。

本发明的优势在于提供了一种基于磁共振信号的可交互的运动训练方式，利用受训者自己的运动脑区活动信息，交互控制跑步运动的快慢，使受训者可以有意识地学习控制自己前运动区的激活，通过反复训练，强化运动功能，产生持久效应，以达到改善运动技能或对运动功能障碍进行康复的作用。这种在跑步运动动画和运动脑区激活之间的交互方式，可以更准确地反映、充分地调动受训者的内在潜力，产生良好的训练效果。

附图说明

图1：一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统连接示意图

图2：本发明的基本信息配置示意图

图3：本发明的训练进程示意图

图4：本发明的运动画面示意图

图5：前运动区在大脑皮层的分布示意图

具体实施方式

1、系统的硬件连接

图1为一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统连接示意图，包括：

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功能磁共振数据在一个射频脉冲时间间隔TR内输出，不需要对扫描设备做任何序列或者数据重构造方面的改动；

数据分析系统，对扫描系统传输来的数据进行降噪处理、统计建模分析、信息管理、结果显示等处理，得到运动训练的大脑激活图及运动状态信息；

动画合成系统，根据运动状态信息的变化控制每一帧画面之间的切换时间及显示位置，合成在线跑步运动动画，并利用强磁场兼容刺激呈现设备呈现给受训者，为受训者提供自己运动状态的交互信息。

USB接口及以太网线传输，fMRI信号通过计算机局域网传输到数据分析系统和动画合成系统，扫描触发信号则采用USB接口送入数据分析模块，计算机采用多线程技术对传输的数据信号和触发信号进行实时采集、分析、以及动画合成，同时可对数据分析结果进行显示和存储。

显示设备连接，本系统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训练者，另外一路提供给受训者。采用两块图形显示卡完成，并对计算机主机进行多屏显示的控制。

2、系统的软件构成

基本信息配置，对受训者和fMRI信号扫描进行配置，如图2所示，包括受训者的个人基本信息如姓名时间等、fMRI信号的基本信息如序列号路径等。

信息采集，基本信息配置后根据设定的阈值搜索等待目标文件，然后通过数据格式转换将DICOM格式图像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，最后对转换后的图像灰度值进行归一化校准。

训练进程配置，采用组块设计方案，设置训练进程中训练和休息的开始时间个结束时间，将扫描参数文件中的图像矩阵大小、像素大小、体元个数、TR值提取并显示，配置后可以显示为图3所示的训练进程。

数据处理，首先对图像数据进行头动伪影的校正，利用三维空间中的3个平移参数和3个旋转参数，通过使变换前后图像间灰度值的平方差之和达到最小进行校准；接着采用三维的高斯核函数进行图像的低通滤波，提高图像的信噪比，使数据更接近高斯随机场模型，适合于后面的统计分析；然后采用积累式广义线性模型y＝βX+e进行统计建模分析，将每一个体元的全部时间序列用来估计最优的回归因子权重值，其中y代表一个体元的时间序列信号，X是训练进程的设计矩阵，e是服从标准正态分布的误差向量，利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。

结果显示与存储，将全脑的激活结果显示给训练者，同时提取前运动区的激活强度作为受训者的运动状态信息。此外，数据处理中的中间结果和最终结果都将保存在训练者指定的路径，供研究人员后期分析使用、评估训练效果。

动画合成，根据实时更新的运动状态信息大小控制跑步运动的每一帧画面之间的切换时间及显示位置，合成跑步运动动画，图4为跑步运动的示意画面，合成后的动画同时呈现给受训者，受训者根据跑步运动的快慢和训练进程的时间背景提示，通过运动想象训练调节跑步运动在休息时减慢甚至不动、训练时加快，达到训练大脑运动区的目的。跑步的基本速率可以通过设置速度参数进行调整。

由于软件系统涉及的各模块均采用了实时算法，因此本系统可以在一个TR内完成交互，具有较好的鲁棒性和容错力，同时在线训练对良好的自我学习和调节非常有利。

本发明所涉及的系统训练过程如下：(1)受训者扫描前需进行系统使用指导，熟悉利用该系统的训练方法，然后在磁共振扫描仪内按照要求进行运动想象训练；(2)训练时首先让受训者通过执行真实运动任务或者想象运动任务定位前运动区，如图5画圈部分，以便训练过程中准确提取运动状态信息；(3)根据运动动画中的跑步速度，受训者借助想象训练任务，如想象右手手指按照指定序列弹钢琴、按图钉、按篮球、抠抓墙面、弹手指等，但全身不得有任何动作仅限于大脑想象，使跑步的速度受自己大脑的控制，在休息背景时减慢或停止跑步，在训练背景下加快跑步。

受训者利用本发明通过反复训练可以使自身的运动功能有所改善并得以维持，特别是那些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。

Claims (3)

1.一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，其特征在于，包括：

信息采集模块，用于采集运动想象任务下由受训者功能磁共振信号转换来的数据信息和扫描参数信息，包括必要的图像信息输入，如定义路径、设定阈值搜索等待、数据格式转换、图像灰度校准，规定每完成一次全脑功能像扫描采集一次信息；

数据分析模块，用于对每次采集的数据信息和参数信息进行实时分析，提取前运动区的激活强度作为运动状态信息，并传递到动画合成模块；

管理模块，用于对训练进程和受训者信息进行管理，包括受训者的基本信息、磁共振扫描参数信息、训练进程所需形式及参数、数据分析所需参数、不同信息的配置文件路径等各种信息，对这些信息进行编辑、存储、导入、选择等管理；

动画合成模块，用于将运动状态信息合成为跑步运动的动画，并动态地呈现给受训者。

2.如权利要求1所述的一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，其数据分析模块特征在于，包括：

数据的降噪处理，采用伪影校正、去除基线漂移、空间平滑滤波改善图像数据的信噪比和样本统计分布特性；

统计建模分析与结果显示，采用实时广义线性模型得到与训练进程相关的激活区域，在线显示受训者的大脑激活图，存储处理结果；

运动状态信息提取，结合激活结果和前运动区的解剖位置，提取前运动区的激活强度作为受训者当前的运动状态信息，同时将运动状态信息显示给训练者。

3.如权利要求1所述的一种基于磁共振信号控制的运动动画交互系统，其动画合成模块特征在于，包括：根据实时更新的运动状态信息大小控制跑步运动的每一帧画面之间的切换时间及显示位置，合成跑步运动动画并呈现给受训者，受训者根据跑步运动的快慢和训练进程的时间背景提示，通过运动想象调节跑步运动的速度，达到训练大脑运动区的目的；跑步的基本速率可以通过设置速度参数进行调整。

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