CN105919556A - 基于认知任务的近红外脑成像仪图谱采集方法 - Google Patents

基于认知任务的近红外脑成像仪图谱采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，包括：第一步骤，连接近红外脑成像仪至受试者的脑部；第二步骤，在T1时间间隔内依次提供给受试者持续时长为T2的第一认知任务、第二认知任务和第三认知任务；第三步骤，在T2时间段内持续采集受试者脑部的近红外脑成像图谱；其中，T1≠T2。本发明所提供的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，能够在认知任务的刺激呈现下，获取易于识别的近红外脑成像图谱，方便相关研究工作者进一步对图谱中的特征波形进行进一步的量化统计，进而指导后续工作。

Description

基于认知任务的近红外脑成像仪图谱采集方法
技术领域
本发明涉及一种图谱采集方法，特别是一种基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法。
背景技术
目前，近红外脑功能成像技术(fNIRS)是一种新兴的脑功能活动监测手段，它利用近红外光对人体组织的良好通透性，探测出相关脑区的血流量变化特征。相比于其它的脑成像技术，fNIRS以其安全性高、生态效度高、空间和时间精度相对较高等优势越来越多地受到心理学家的青睐。
现已公知的，抑郁、焦虑与认知过程密切相关，但具体的关联情况，却仍不十分明晰。但可以想见的是，这一技术将非常有利于识别与抑郁、焦虑、强迫及症状群相伴发的认知表现特征，对于深入了解其病理机制可能有重要意义。近年来，在心理障碍的相关研究中，已有学者指出通过使用近红外脑功能成像技术(fNIRS)，使受试者在一系列认知任务的刺激下，获得受试者大脑中氧合血红蛋白(Oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(Deoxy-Hb)的浓度变化的近红外脑成像图谱，可以反应心理障碍的病症存在某种联系。例如，现已经证实抑郁症患者的前额功能影像有异常。
但是，针对认知任务来说，目前常见的认知任务存在以下几种：语言流畅任务(VFT：verbal fluency task)、对指运动任务(FTT：finger tapping task)及症状图片任务(SPT：symptomatic picture task)等。由于在进行近红外脑功能成像的图谱采集时，在不同的认知任务的刺激呈现下，受试者的近红外脑成像图谱可以呈现出明显的变化。因此虽然这一技术在心理障碍研究领域已有广泛的研究，但难于大规模推广应用。原因就在于现有的认知任务的安排模式下，近红外脑成像仪图谱获得的图谱难于识别，往往只能做到反应客观现象的存在，而不能做到实际的量化统计，更谈不上将图谱的分析结果应用到实际研究工作。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法。该方法主要依靠提供给受试者一种新的认知任务刺激呈现方式，使得近红外脑成像仪可以更为准确的获得易于识别和统计的图谱。
具体地，为了实现上述目的，本发明提供的一种基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，包括：
第一步骤，连接近红外脑成像仪至受试者的脑部；
第二步骤，在T1时间间隔内依次提供给受试者持续时长均为T2的第一认知任务、第二认知任务和第三认知任务；
第三步骤，在T2时间段内持续采集受试者脑部的近红外脑成像图谱；
其中，T1≠T2。
作为优选，所述第二步骤中，在执行第一认知任务之前，还包括一第四认知任务。
作为优选，所述第四认知任务与所述第一认知任务的时间间隔为T1。
作为优选，所述第一认知任务、第二认知任务、第三认知任务分别选自语言流畅任务、对指运动任务和症状图片任务中的一种；所述第四认知任务为情绪图片任务(EPT：emotional picture task)。
在本发明中，语言流畅任务、对指运动任务、症状图片任务和情绪图片任务均为常用的认知任务模块，由于认知任务与近红外脑成像图谱的刺激呈现的特征图谱具有高度相关性，且符合自然规律。现已经用于心理学研究领域中对受试者的认知和行为进行引导或刺激，便于后续研究应用。
作为优选，在所述第二步骤中，T1＝15s，T2＝30s。
本发明所提供的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，能够在认知任务的刺激呈现下，获取易于识别的近红外脑成像图谱，方便相关研究工作者进一步对图谱中的特征波形进行进一步的量化统计，进而指导后续工作。
附图说明
图1为本发明的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法的基本流程图。
图2为本发明的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法中各认知任务执行的时间周期示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所提出的技术方案做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，包括：
第一步骤S1，连接近红外脑成像仪至受试者的脑部；
第二步骤S2，在T1时间间隔内依次提供给受试者持续时长为T2的第一认知任务、第二认知任务和第三认知任务；具体地，在本发明中，所述第一认知任务、第二认知任务、第三认知任务分别选自语言流畅任务、对指运动任务和症状图片任务中的一种。并且，优选地，在所述第二步骤中，在执行第一认知任务之前，还包括一第四认知任务，且所述第四认知任务为情绪图片任务(EPT：emotional picture task)。
第三步骤S3，在T2时间段内持续采集受试者脑部的近红外脑成像图谱；由于存在周期性的认知任务的刺激，本发明的图谱采集方法获取的近红外脑成像图谱具有易于识别的特点，方便相关研究工作者进一步对图谱中的特征波形进行进一步的量化统计，进而指导后续工作
其中，T1≠T2,优选地，在所述第二步骤中，T1＝15s，T2＝30s。
以下提供具体实施例以说明本发明的具体技术方案：
1、受试对象：
该研究主要在清华大学玉泉医院进行，受试者的招募工作从2012年5月持续至2015年3月。玉泉医院伦理委员会已经批准通过该项研究，所有受试者均签署了知情同意书。
入组标准：我们总共招募了45名健康对照志愿者(广告招募58名，有13名不符合入组标准被排除)，按整群抽样的原则选取了74名患有抑郁障碍(单相抑郁，初步筛检93例，有19例不符合入组标准被排除)及60名患焦虑障碍(初步筛检78例，有18例不符合入组标准被排除)的门诊病人。所招募病人均由2名经验丰富的精神科医生(副高及以上职称)依据DSM-IV。所有受试者的母语均为汉语(普通话)，以保证汉语版本的VFT能够顺利进行。VFT总数，正常对照组与抑郁障碍组及焦虑障碍组差异均有显著性(t＝0.048,p＝0.001)，但抑郁障碍组及焦虑障碍组之间差异无显著性(p＝0.172)。
在进行NIRS检查的当天，我们将使用24项汉密尔顿抑郁量表(Hamilton Depression Rating Scale for Depression,HAMD)来对受试者的抑郁障碍状进行评定；使用汉密顿焦虑量表(Hamilton Anxiety Scale，HAMA)对其焦虑障碍状进行评定；使用耶鲁强迫量表(Yale-Brown obsessive compulsive scale,Y-BOCS)对强迫症状进行评定。研究期间，病例组中部分患者服用一种或两种小剂量药物(抗抑郁药物SSRI)，但用药时间少于2周，有24例未服药的病人。
为了控制混杂因素，我们使用单因素方差分析ANOVA对年龄、受教育程度和性别进行了比较，三者差异均无显著性(P＞0.05)。结果见表1。
排除标准：1、既往有双相障碍躁狂发作史或轻躁狂发作史；2、既往为伴精神病性症状的重度抑郁发作患者；3、患有其他心理障碍或神经疾病或躯体疾病(如甲低等)；4、服用抗抑郁或精神病药超过2周以上；5、排除引起认知损伤的脑外伤以及酒精或物质依赖或成瘾；6、受教育程度低于6年，母语为非汉语者。
2、方法
2.1检测工具
近红外光谱成像仪作为近红外脑成像模块采集近红外脑成像图谱，选用日本岛津的FOIRE一3000或LabNIRS-52channel，采用CW(continuous wave)技术模式，测量氧合血红蛋白(Oxy-Hb)浓度、总氧合血红蛋白(t—Hb)浓度和脱氧合血红蛋白(Deoxy—Hb)相对浓度。
安装光极
标记Fp点：用软尺测量前额正中线上从眉心到枕骨隆突的距离，以眉心为起点，在该距离的1/10处做标记，根据国际电极导联10-20系统，该点为Fp点。
佩戴光极帽：佩戴前将光极帽孔上的固定环旋松，便于根据不同患者的头颅变形以达到充分贴合头颅的目的。将光极帽最前一列正中的孔对准Fp点，固定前后固定带。固定好后询问患者有无不适感，如有，可进行适当的调整。调整好后操作者可用双手轻轻按压光极帽，确保与头颅充分贴合。
安装光极：红色光极为发射光极(T)，共14个或16个；蓝色光极为吸收光极(R)，共14个或16个，可检测通道为45个或52个。请按照下图具体位置安装。用光棒伸入光极帽孔中将头发轻轻拨开，压入固定环下，露出 头皮，旋紧固定环，固定头发及光极帽，然后将相应光极轻柔地插入光极帽孔中，确保其不会掉出。按照此方法依次安装28个或32个光极。
2.2刺激呈现
情绪图片任务(EPT：emotional picture task)
任务的目的：了解患者对环境刺激的敏感程度，环境适应性检测，预试验。
受试者将看到背景上呈现出“十”字符号和一些图片。当看到“十”字时，提示受试者保持平静，等待之后内容的出现。当看到图片，提示对图片的感受来按键，按键分别表示积极、消极和中性。
语言流畅任务(VFT：verbal fluency task)
任务目的：利用生活中常见的中性词语，通过语义联想让患者讲出具体事物的名称。
内容：提示受试者按照要求尽可能多地说出屏幕上提示的类别名称。如果有说不出的情况，提示受试者尽量去想，不能停止联想或想其他事情。直到“十”出现停止不说，等待下一提示词出现。
对指运动任务(FTT：finger tapping task)
任务目的：了解患者进行手指精细运动时前额的控制调节功能。
提示受试者按照屏幕提示语要求完成规定动作。从食指到小指再从小指到食指重复运动，直到“十”出现停止不动，等待下一提示词出现。
症状图片任务(SPT：symptomatic picture task)
任务目的：了解患者对症状图片内容的描述能力与情绪反应。
提示受试者用简单的话语描述您将要看到的图片。屏幕上会出现一些图片，当图片出现时不说话，认真去看。然后提示受试者描述以下两方面内容：①这幅图片讲述了什么内容？②您有何感受？(用3-5个词描述)
图2示出了上述本发明的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法中各认知任务执行的时间周期示意图。
在上述认知任务测试中，言语流畅任务(verbal fluency task，VFTr)：任务由E.Prime软件(2.0)进行呈现。
静息状态：安装近红外光极后，告知受检者，保持安静，尽量不要思考，持续5分钟。氧合与脱氧血红蛋白相对浓度定标为±0.1(mmol/L×cm)。观察氧合与脱氧血红蛋白相对浓度双曲线处于较稳定的状态。
为了保证语言流畅任务的稳定性，在该任务前加用情绪图片任务作为预试验，起环境适应的作用。情绪图片任务：任务负荷轻度，它由4s的图片呈现期和2s的静息期组成，共15幅图(正性5幅+中性5幅+负性5幅)，检测时间为90s。该任务未纳入统计。
语言流畅任务(VFT)：依据实验心理任务规范和临床预实验，每个任务block为：15s的静息期、30s的任务期和15s的任务后静息期组成。四组blocks连续完成，时间为240s。两个任务之间的静息期为30s。进行任务时，受试者被告知需在任务期尽可能地多地说出所提示的汉语词汇(蔬菜、家用电器、四条腿的动物和水果)，所选词汇类别均为中性，四组词汇均为等效。四组blocks能够有效地反应血氧浓度的时间依赖曲线变化。
对指运动任务：任务前有指导语和对指运动示范。每个对指运动任务block为：15s的静息期、30s的任务期和15s的任务后静息期组成。四组blocks连续完成，时间为240s。两个任务之间的静息期为30s。
症状图片刺激任务：任务前有指导语。有5幅负性情绪图片作为一组症状图片刺激任务。每个图片任务block为：15s的静息期、30s的任务期和15s的任务后静息期组成。五个blocks连续完成，时间为300s。两个任务之间的静息期为30s。
3、NIRS检测
光极安装参考脑电图10/20系统制作了前额脑区光极帽(4X7光极安放位点)，利用3D坐标定位系统依次记录眉心、颅顶正中、左耳前、右耳前4个参考位置及各个光极,面积14cmX20cm，包括Broca与语言调节相关区45、44、46区，非语言调节相关区：8、9、10等。共获取45标定逻辑通道图谱。
4、波形分析工具
软件名称：多项认知任务近红外脑成像图谱分析软件(简称：近红外脑图谱分析软件)V3.0.著作权人：刘破资。权利取得方式：原始取得。权利范围：全部权利。开发完成日期2013年12月16日。首次发表日期：2014年1月3日。中华人民共和国国家版权局，计算机软件著作权登记证书号：软著登字第0959027号。软件登记号：2015SR071941。
5、NIRS数据分类分析
我们以4次等效语言流畅任务呈现波形的位相、波幅、频率、趋势为依据对图谱进行分类处理。
波形分类：基于语言流畅任务下典型病例的4个Blocks任务总时间240s的前额标定脑区的45个通道OXY-HB和deoxy-Hb浓度变化的双曲线连续波谱为参考，进行症状波形分类：以45个通道(logic channel)为原点，形成的45个方框的波形为计量单位，纵坐标为波幅，向上为正相，向下为负相，横坐标为时间(240秒)。静息状态：OXY-HB和deoxy-Hb浓度变化的双曲线重合。任务状态：认知任务状态时，OXY-HB和deoxy-Hb浓度变化的双曲线波动状态。氧合与脱氧血红蛋白相对浓度定标为±0.1(mmol/L×cm)。
正相双曲线正常波形范围：双曲线连续图谱，波形红线(Oxy-Hb)在上，蓝线(Deoxy-Hb)在下，标定波幅适度(在1/3以内),部分通道可见于4个任务相关的波峰，波形比较有规律，类似正弦波。
负相低平波形:蓝线(Deoxy-Hb)在上，红线(Oxy-Hb)在下，称为负相波形，波幅低平，少见与任务相关的波峰。
负相交叉分离波形:蓝线(Deoxy-Hb)在上，红线(Oxy-Hb)在下，波形负相、交叉、波动或分离，波形漂移不稳。
负相开口状波形：蓝线(Deoxy-Hb)在上，波形红线(Oxy-Hb)在下，有些波未见明显回落，有叠加现象，局部呈负相向右开口状，似符号<。
正相高波幅波形：红线(Oxy-Hb)在上，蓝线(Deoxy-Hb)在下，标定波幅明显高于正常，可见于4个任务相关的高波峰，有些波幅大于1/3，波形比较有规律。
正相开口状波形：红线(Oxy-Hb)在上，蓝线(Deoxy-Hb)在下，有些波未见明显回落，有叠加现象，波形呈正相开口状<。
自变量：分组，因变量:NIRS变化值
正常范围波形、负相低平波形、负相开口状波形、负相交叉分离波形、正相高波幅波形、正相开口波形构成比(0-45/45，0-100％)为自变量，以正常对照组、依据DSM-IV诊断为抑郁障碍(单相抑郁)、焦虑障碍为因变量。
将上述进行了症状图谱分类的正常对照45例、抑郁障碍组74例、焦虑障碍60例，按照HAMD、HAMA量表总分为症状金标准(HAMD≤7分，HAMA≤7分，YALE≤10分为正常；抑郁障碍组需HAMD≥17分；焦虑障碍组需HAMA≥14分)，计算前额叶标定脑区NIRS vft症状图谱分类的波形构成比和ROC。
6、统计分析
所有的统计分析过程均采用SPSS 19.0软件(SPSS Inc,Beijing,China)。一般情况及临床量表，通过使用单因素方差分析(ANOVA)来检测各组年龄、受教育情况及临床量表的组间差异。性别差异的检测使用卡方检验，差异显著性设定为P＜0.05。正常组与抑郁障碍3个亚组及焦虑障碍2个亚组之间的量表差异使用t检验，P值设定为0.01。正常对照组与抑郁障碍组、焦虑障碍组6种波形构成比的差异使用t检验，P值设定为0.01。

Claims (5)

1.基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，包括：
第一步骤，连接近红外脑成像仪至受试者的脑部；
第二步骤，在T1时间间隔内依次提供给受试者持续时长为均为T2的第一认知任务、第二认知任务和第三认知任务；
第三步骤，在T2时间段内持续采集受试者脑部的近红外脑成像图谱；
其中，T1≠T2。
2.如权利要求1所述的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，所述第二步骤中，在执行第一认知任务之前，还包括一第四认知任务。
3.如权利要求2所述的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，所述第四认知任务与所述第一认知任务的时间间隔为T1。
4.如权利要求2所述的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，所述第一认知任务、第二认知任务、第三认知任务分别选自语言流畅任务、对指运动任务和症状图片任务中的一种；所述第四认知任务为情绪图片任务。
5.如权利要求2所述的基于认知任务的近红外脑成像图谱采集方法，在所述第二步骤中，T1＝15s，T2＝30s。
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