CN105078455B - 功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，实现了中央集中控制、硬件接口统一，能够在磁共振成像扫描时同步接收触发信号，同步记录灵长类动物各项生理参数且适用于灵长类动物视觉、触觉等任务刺激的软、硬件技术平台。其技术方案为：系统包括上位机、下位机以及磁共振成像设备，其中上位机用于人机交互以及对下位机的控制；下位机用于和磁共振成像设备的通信和交互处理，下位机中的刺激任务产生模块基于上位机发出的指令产生刺激任务，下位机中的监测模块和上位机通信，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备中测得的反应参数并将反应参数反馈给上位机。

Description

功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像配套装置，尤其涉及一种功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统。

背景技术

近年来，功能磁共振成像(fMRI)技术作为一项新兴的研究手段，已被广泛地应用到认知神经科学研究领域，用来探讨人类认知过程与情绪活动的脑机制。除了直接以人类作为研究对象外，非人灵长类动物作为人类的最近亲属,具有与人类相似的大脑结构，且具备高级脑功能,可以被训练完成特定类型的测试任务。对评价认知能力、情绪反应等具有其它动物无法替代的作用，是人类大脑的正常功能基础研究和疾病病理研究的理想动物模型。这些研究发现带来的一个直接效应就是能够突破转化医学的困境，使得生物医学基础研究成果有效地转化为临床引用，合理地将功能磁共振成像技术应用于灵长类动物(包含人类)的脑机制研究，可以大大推动神经科学、人类疾病模型等基础科学研究的发展和突破。

相比较应用于常规磁共振成像而言，在功能磁共振实验中，产生了很多能够针对特定实验任务和要求的实验设计模式，任务刺激复杂多变，同时，为获得有效且可靠的科研实验数据，实验人员必须借助实时监测系统来控制任务刺激实验的进程，这其中包括对整个扫描过程中同步完整动物的各项生理参数，以及根据实时反馈的生理参数及时调整任务刺激方案等。

但是目前关于灵长类动物(包含人类)功能磁共振实验同步生理监测与触发刺激实现方法、种类、架构等问题的研究尚不完善，不同的实验室在实验中都是根据自己的经验和特定的实验目的设计实验方案,这就大大降低了实验的可重复性,使实验结果的科学性质受到质疑。不但如此，由于牵涉到多种设备的相互配合，往往需要实验人员同时操纵多种设备，且各个设备间无法及时同步，进一步降低了数据的可靠性。

基于上述原因，建立一个可实现中央集中控制的，硬件接口统一，能够在磁共振成像扫描时同步接收触发信号，同步记录灵长类动物(包含人类)各项生理参数且适用于灵长类动物视觉、触觉等任务刺激的软、硬件技术平台，不但对简化实验操作流程，提高数据可靠性有非常大的帮助，对于功能磁共振脑科学研究无疑具有更加重要的意义。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，实现了中央集中控制、硬件接口统一，能够在磁共振成像扫描时同步接收触发信号，同步记录灵长类动物各项生理参数且适用于灵长类动物视觉、触觉等任务刺激的软、硬件技术平台，简化实验操作流程，提高数据可靠性，并可进一步推广应用于脑科学、神经医学、认知心理科学以及未来的临床研究等领域。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，包括上位机、下位机以及磁共振成像设备，其中：

上位机用于人机交互以及对下位机的控制，内部设有第一通讯模块和第二通讯模块；

下位机用于和磁共振成像设备的通信和交互处理，进一步包括：

刺激任务产生模块，基于上位机发出的指令产生刺激任务；以及

监测模块，通过第一通讯模块和上位机通信，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备中测得的反应参数并将反应参数反馈给上位机。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，第一通讯模块是数据采集卡。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，数据采集卡是PCI板块。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，第二通讯模块是串行通讯模块。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，上位机还包括：

中央控制模块，通过第一通讯模块和第二通讯模块，将下位机中的各模块进行时钟同步、统一控制和共同协作。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，刺激任务产生模块进一步包括：

触觉刺激任务产生单元，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的触觉终端，基于上位机的指令发起触觉刺激任务；以及

视觉刺激任务产生单元，通过第二通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的显示器，基于上位机的指令发起视觉刺激任务，并控制磁共振成像设备的显示器上的操作。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，监测模块进一步包括：

生理监测单元，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的生理监测探头，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备的生理监测探头测得的生理参数并反馈给上位机；以及

眼动数据监测单元，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的眼动监视摄像头，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备的眼动监视摄像头所测得的眼动数据并反馈给上位机。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，下位机还包括：

触觉反馈模块，通过第二通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的触觉终端，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备的触觉终端所测得的触觉参数并反馈给上位机。

根据本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的一实施例，下位机还包括：

任务激励模块，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的激励终端，基于上位机发出的指令控制磁共振成像设备的激励终端。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明针对目前市面上的功能磁共振没有使用LabVIEW和磁共振以及刺激系统、监测系统相关硬件的案例(每个系统都是独立工作，或者反馈程度有限；获取的实时反馈数据受限无法对刺激进行实时有效调节)，创新性地提出了使用LabVIEW和NI PCI-6229数据采集卡，可进行实时生理监测和眼动反馈调节的一体化功能磁共振刺激系统与监测系统。该系统利用获得实时的生理监测和眼动反馈信息，实现与刺激相关的互动调节，在硬件方面使用眼动监测系统和生理监测系统，进而实现视觉/触觉刺激与反馈的有效互动的目的。也为灵长类功能磁共振的以及将来的人类精神疾病研究等提供性能优越的集成度较高的中央控制系统。

附图说明

图1示出了本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的较佳实施例的原理图。

图2示出了本发明的控制系统的运行流程图。

图3示出了本发明的控制系统在加载参数文件时的流程图。

附图标记：

上位机1

下位机2

磁共振成像设备3

数据采集卡11

串行通讯模块12

中央控制模块13

触觉刺激任务产生单元21

视觉刺激任务产生单元22

生理监测单元23

眼动数据监测单元24

触觉反馈模块25

任务激励模块26

触觉终端31

激励终端32

生理监测探头33

眼动监视摄像头34

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统的较佳实施例的原理。请同时参见图1，本实施例的系统包括：上位机1、下位机2以及磁共振成像设备3。

在本实施例中，上位机1用于人机交互以及对下位机2的控制。对于人机交互的操作，例如是通过LabView人机界面软件程序来实现。而和下位机2的交互则是通过设置在内部的第一通讯模块和第二通讯模块来完成。在本实施例中，第一通讯模块是数据采集卡11，数据采集卡11例如是NI PCI-6229板卡，第二通讯模块是串行通讯模块12。数据采集卡11和串行通讯模块12都是插在上位机1的PCI相应的插槽中。上位机可以是工控机、PC机中的任何一种。

在上位机1中还设有中央控制模块13，通过数据采集卡11和串行通讯模块12负责下位机2中的各个模块的时钟同步、统一控制和共同协作。

下位机2一方面和上位机1通信，另一方面也和磁共振成像设备3进行通信和交互处理。下位机2的内部组成包括刺激任务产生模块和监测模块，刺激任务产生模块是接收来自磁共振成像设备3的触发信号，呈现刺激任务，并基于上位机1发出的指令产生刺激的内容，监测模块是通过数据采集卡11和上位机1通信，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备3中所测得的反应参数并将这些反应参数反馈给上位机1。

在本实施例中，刺激任务产生模块又可以分为触觉刺激任务产生单元21、视觉刺激任务产生单元22，而监测模块可以分为生理监测单元23、眼动数据监测单元24。

较佳的，下位机2还可以包括触觉反馈模块25和任务激励模块26。触觉刺激任务产生单元21通过数据采集卡11和上位机1通信，而且连接磁共振成像设备3的触觉终端31，根据磁共振成像设备3的触发模块发出的触发信号呈现设计者的触觉刺激任务，然后基于上位机1的指令呈现触觉任务的内容，例如根据指令中的字符标示呈现相应的刺激。视觉刺激任务产生单元22通过串行通讯模块21和上位机1通信，且连接磁共振成像设备3的显示器，根据磁共振成像设备3的触发模块发出的触发信号呈现设计者的视觉刺激任务，然后基于上位机1的指令呈现视觉刺激的内容，并控制磁共振成像设备3的显示器上的操作，例如根据指令中的字符标示呈现相应的刺激。任务激励模块26通过数据采集卡11和上位机1通信，而且连接磁共振成像设备3的激励终端32，基于上位机1发出的指令控制磁共振成像设备3的建立终端32。

生理监测单元23通过数据采集卡11和上位机1通信，且连接磁共振成像设备3的生理监测探头33，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备3的生理监测探头33所测得的生理参数并反馈给上位机1。眼动数据监测单元24通过数据采集卡11和上位机1通信，且连接磁共振成像设备3的眼动监视摄像头34，在视觉刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备3的眼动监视摄像头34所测得的眼动数据并反馈给上位机1。触觉反馈模块25通过串行通讯模块12和上位机1通信，且连接磁共振成像设备3的触觉终端31，在触觉刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备3的触觉终端31所测得的触觉参数并反馈给上位机1。

图2示出了本发明的控制系统的运行流程，请参见图2，打开LabView主程序(上位机1中用于和用户交互并控制下位机2中各模块的运行的程序)，点击菜单面板的“运行”按钮，程序即开始运行。

此时程序将请求加载由实验设计者根据具体实验要求设计出的参数文件，实验者需手动选择文件，确定后程序即自动加载相应实验参数，与此同时，实验者需要在Labview人机界面的“Task_Setting”区域填写此次实验和相应的磁共振扫描参数(如重复时间，重复次数等)；另外，在“Button”区域需要填写“LogName”框中的Log日志文件名称(建议以时间+项目名称的方式命名)。

在加载实验参数的同时，程序还将自动检测和初始化所连接仪器的各个端口(以串口为例，如果串口未连接设备，此时会填出com口设备无法连接提示对话框，并且程序停止运行，直至解决串口连接问题为止)。

串口检查完毕后，在“Eye_Tracker”区域，将显示眼动设备所追踪的眼动信息，该步骤需要实验者根据实验要求，手动调整当前被试的眼动初始位置。

以上调整全部完成后，刺激任务产生模块会自动分配实验参数至相应的缓存区，实验者需要在“Button”区域手动按下圆形“Start”按键，此时程序进入磁共振设备触发信号等待阶段。

与此同时，Log文件表头也将同时创建，这一步骤的过程进一步如图3所示。

当接收到磁共振设备触发信号后，根据实验参数文件所设计的实验步骤，视觉刺激和触觉刺激会按照要求进行播放，同时生理监控模块会记录被试当前的生理状况参数。

视觉刺激触发模块通过串口将指令发送给视觉刺激系统，视觉刺激系统按照实验者的设计播放视觉刺激。

进行刺激播放时，要求被试的眼睛注视磁场显示器，眼动设备所追踪的数据将会被Labview人机界面中的眼动判断模块进行辨别。尤其针对灵长类的快速频繁的眼动行为特征，如果实验被试按照要求顺利完成任务，则激励模块将对其进行奖励，否则将不给予奖励，所有眼动数据将如实记录在相应的实验日志中。

如果实验设计要求同步进行触觉刺激，LabView人机界面程序的触觉刺激任务产生模块，会根据实验者要求产生触觉刺激电平给触觉终端，触发触觉刺激设备，产生触觉刺激。

当实验刺激结束后，整个实验过程中所产生的眼动结果、触觉反馈、生理监控等数据，会被完整记录(由LabView人机界面程序中的Log产生模块完成)，并产生对应的Log实验日志，同时LabView人机界面上的各个按钮将全部复位，并结束程序运行。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (6)

1.一种功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，包括上位机、下位机以及磁共振成像设备，其中：

上位机用于人机交互以及对下位机的控制，内部设有第一通讯模块和第二通讯模块；

下位机用于和磁共振成像设备的通信和交互处理，进一步包括：

刺激任务产生模块，基于上位机发出的指令产生刺激任务；以及

监测模块，通过第一通讯模块和上位机通信，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备中测得的反应参数并将反应参数反馈给上位机；

触觉反馈模块，通过第二通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的触觉终端，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备的触觉终端所测得的触觉参数并反馈给上位机；

其中刺激任务产生模块进一步包括：

触觉刺激任务产生单元，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的触觉终端，基于上位机的指令发起触觉刺激任务；以及

视觉刺激任务产生单元，通过第二通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的显示器，基于上位机的指令发起视觉刺激任务，并控制磁共振成像设备的显示器上的操作；

监测模块进一步包括：

生理监测单元，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的生理监测探头，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备的生理监测探头测得的生理参数并反馈给上位机；以及

眼动数据监测单元，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的眼动监视摄像头，在刺激任务进行时记录被测对象在磁共振成像设备的眼动监视摄像头所测得的眼动数据并反馈给上位机。

2.根据权利要求1所述的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，其特征在于，第一通讯模块是数据采集卡。

3.根据权利要求2所述的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，其特征在于，数据采集卡是PCI板块。

4.根据权利要求1所述的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，其特征在于，第二通讯模块是串行通讯模块。

5.根据权利要求1所述的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，其特征在于，上位机还包括：

中央控制模块，通过第一通讯模块和第二通讯模块，将下位机中的各模块进行时钟同步、统一控制和共同协作。

6.根据权利要求1所述的功能磁共振成像同步监测与触发刺激控制系统，其特征在于，下位机还包括：

任务激励模块，通过第一通讯模块和上位机通信，且连接磁共振成像设备的激励终端，基于上位机发出的指令控制磁共振成像设备的激励终端。