CN111281399A - 基于近红外的多频段生理信号反馈系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于近红外的多频段生理信号反馈系统及其使用方法。该系统包括：生理信号采集模块，用于实时地采集受试者大脑皮层的脑血氧信号；数据预处理模块，用于实时地对近红外光谱设备采集的原始数据进行预处理，以去除信号中的噪声成分；多频段解析模块，用于从预处理后的脑血氧信号提取多频段生理信号强度指标参数；生理信号反馈模块，用于将多频段解析模块提取的强度指标参数进行实时数据可视化处理，并反馈给受试者；以及显示模块，用于显示生理信号反馈模块的反馈过程。本发明基于近红外光谱技术，通过五个频段生理信号反馈的方法，对大脑特定频率段的生理活动和神经活动进行调节，帮助脑功能障碍患者更好的训练和康复。

Description

基于近红外的多频段生理信号反馈系统及其使用方法

技术领域

本发明属于康复辅具领域，具体涉及一种基于近红外的多频段生理信号反馈系统及其使用方法。

背景技术

康复训练是脑功能障碍患者康复的重要手段，对脑功能损伤导致运动功能障碍患者功能改善和恢复有重要意义。反馈训练技术在理解脑功能和脑疾病方面有广泛的应用。在反馈训练的过程中，通过生理信号采集设备监测多维度大脑皮层活动信息，利用大脑内在神经功能和机制，实现生理活动和神经活动的自我调节。反馈训练技术可实现解码大脑的神经活动模式，进而优化与特定神经功能相关的认知行为和运动控制。针对康复训练过程，反馈指的是利用特定大脑皮层区域活动相关信息对受试者后续的神经活动和训练行为进行调节。

专利CN102319067A涉及一种基于脑电信号的神经反馈训练系统，可指导参与者对特定脑电频带节律成分的自主调控，实现相关认知和行为改善的目的。专利CN101912255A提出了一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，感兴趣皮层区域的神经活动被用作反馈信息，参与者的脑部血流动力学信号直接实时显示给受试者，受试者在此过程中可学会通过反馈参数的变化来学习控制大脑活动，以及自主调节其行为活动。脑电设备空间分辨率低，无法获取大脑皮层脑血流信号，而核磁共振设备时间分辨率低，较难进行实时数据处理及反馈。

近红外光谱技术具良好的时空分辨率。通过近红外设备测量大脑血流动力学活动可以有效地作为反馈训练康复训练过程的信号。基于近红外信号提取出生理活动强度指标参数可以反馈给反馈干预过程的受试者，用于其对自身脑功能的自主控制，帮助受试者实施更为积极主动的康复训练。专利CN103040446A提供了一种基于光学脑成像的反馈训练系统方法，从光学脑成像神经活动数据中提取出大脑特定功能系统的血氧浓度指标作为反馈信息呈现给受训者，使其参与训练。但该方法缺乏特定频段的生理信号解析及反馈。

反馈训练下受试者主动参与自我调节神经活动的重复性康复训练对于受试者神经系统重建和运动功能恢复更加有效。因此，基于近红外的时空分辨率优势及生理信号分频段的基础，提供一种基于近红外的多频段生理信号反馈方法及系统，使受试者积极主动参与康复训练过程，以达到更佳的康复效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于近红外的多频段生理信号反馈方法及系统。此多频段生理信号反馈系统可实现脑区激活多频段生理信号反馈和功能连接多频段生理信号反馈，并将不同频率段内生理信号指标参数以视觉动画形式反馈给受试者，使其自主调节自身生理活动及神经活动，以达到更佳的康复训练效果。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，包括：

生理信号采集模块，该生理信号采集模块用于实时地采集受试者大脑皮层的脑血氧信号；

数据预处理模块，该数据预处理模块用于实时地对所述生理信号采集模块采集的原始数据进行预处理，以去除信号中的噪声成分；

多频段解析模块，该多频段解析模块用于从预处理后的脑血氧信号提取多频段生理信号强度指标参数；

生理信号反馈模块，该生理信号反馈模块用于将多频段解析模块提取的强度指标参数进行实时数据可视化处理，并反馈给受试者；以及

显示模块，该显示模块用于显示生理信号反馈模块的反馈过程。

根据本发明的一个实施例，所述生理信号采集模块为功能近红外光谱设备，该设备包括能够布置在需探测的大脑区域的近红外光源发射探头及光接收探头，从而采集受试者大脑皮层的脑血氧信号。

根据本发明的一个实施例，所述数据预处理模块包括独立成分分析单元，所述独立成分分析单元用于独立成分的提取及重建并且去除无关信号成分。

根据本发明的一个实施例，所述数据预处理模块包括滑动平均单元，所述滑动平均单元用于检测和去除尖峰噪声数据。

根据本发明的一个实施例，所述数据预处理模块包括样条插值单元，所述样条插值单元用于检测和去除运动伪影。

根据本发明的一个实施例，所述数据预处理模块包括带通滤波单元，所述带通滤波单元用于去除长距离的基线漂移且最大程度保留信号的幅值和相位信息。

根据本发明的一个实施例，所述频段解析模块包括多频段小波幅值分析单元，所述多频段小波幅值分析单元将多频段小波幅值作为脑区激活强度指标，并将多频段小波幅值作为反馈信息传至所述生理信号反馈模块。

根据本发明的一个实施例，所述频段解析模块还包括多频段小波相位相干性分析单元，所述小波相位相干性分析单元以多频段小波相位相干值作为脑区间功能连接强度指标，并将多频段小波相位相干值作为反馈信息传至所述生理信号反馈模块。

根据本发明的一个实施例，所述生理信号反馈模块将可视化处理后的强度指标参数以动画形式反馈给受试者，并且所述显示模块用于显示生理信号反馈模块的动画反馈过程。

根据本发明的第二方面，提供了一种根据上述方面的基于近红外的多频段生理信号反馈系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取受试者的脑血氧信号；

2)将所获取的脑血氧信号传至数据预处理模块，该数据预处理模块对脑血氧信号原始数据进行预处理，去除原始信号中的噪声信号；

3)将预处理后的脑血氧信号传至多频段解析模块，该多频段解析模块将脑血氧信号划分为五个频率段，每个频率段的生理信号对应不同生理来源，并且能够提取出大脑特定频率段的脑区激活强度指标参数和脑功能连接强度指标参数，然而将脑区激活强度指标和脑功能连接强度指标作为反馈信息；

4)利用生理信号反馈模块将所述反馈信息进行实时处理，处理后以视觉动画形式呈现并能够反馈给受试者，以使得能够根据视觉动画反馈调节训练策略，并继续进行反馈干预训练。

本发明的一个方面还提供了一种基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于包括：生理信号采集模块，数据预处理模块，多频段解析模块，生理信号反馈模块和显示模块，生理信号采集模块用于实时地采集参与者大脑的脑血氧信号，数据预处理模块用于对所采集的脑血氧信号进行预处理，多频段解析模块用于从预处理后的脑血氧信号提取多频段生理信号强度指标参数，生理信号反馈模块用于将多频段解析模块提取的强度指标参数进行处理，形成动画形式反馈给受试者，显示模块用于呈现动画反馈界面。

根据上述方面，所述生理信号采集模块包括近红外光谱设备，可与受试者大脑非侵入式连接，在需探测的脑区合理布置近红外光发射探头及接收探头，用于采集脑血氧信号；

根据上述方面，所述数据预处理模块，包括ICA单元、滑动平均模块、样条插值模块，以及带通滤波模块；其中，ICA单元用于独立成分提取及重建，去除无关信号成分；滑动平均模块检测和去除尖峰噪声数据；样条插值模块基于移动标准差和样条插值的方法检测和去除运动伪影；带通滤波采用巴特沃斯滤波方法，可进行基线校正；

根据上述方面，所述多频段解析模块，包括多频段WA分析模块和多频段WPCO分析模块；其中，多频段WA分析模块通过小波变换计算五个频率段的小波幅值幅值，并将其作为大脑皮层活动强度指标；多频段WPCO分析模块计算五个频率段的小波相位相干值，并将其作为脑功能连接强度指标；

根据上述方面，所述多频率段生理信号分为五个频率段，每个频率段对应不同的生理来源：频段I(0.6-2Hz)表征心率活动，频段II(0.145-0.6Hz)表征呼吸活动，频段III(0.052-0.145Hz)表征肌源性活动，频段IV(0.021-0.052Hz)表征神经性活动，频段V(0.0095-0.021Hz)表征内皮细胞代谢活动；

根据上述方面，所述生理信号反馈模块，用于实时接收所述多频段解析模块输出的多频段脑区激活指标参数及多频段功能连接指标参数并进行实时数据可视化处理，实现反馈参数的视觉动画显示；

根据上述方面，所述显示模块，指显示设备，可利用屏幕显示所述多频段反馈模块的视觉动画反馈信息。

本发明的又一方面提供了一种基于近红外的多频段生理信号反馈方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)：受试者利用所述多频段生理信号反馈系统进行反馈干预训练任务；在任务过程中，利用近红外光谱设备采集受试者的脑血氧信号；至步骤2)；

步骤2)：将步骤1)所采集的脑血氧信号传至数据预处理模块，该模块对脑血氧信号原始数据进行预处理，去除原始信号中的噪声信号；至步骤3)；

步骤3)：将步骤2)中预处理后的脑血氧信号传至多频段解析模块，该模块将脑血氧信号划分为五个频率段，每个频率段的生理信号对应不同生理来源；此模块可提取出大脑特定频率段的脑区激活强度指标参数和脑功能连接强度指标参数；将脑区激活强度指标和脑功能连接强度指标作为反馈信息；至步骤4)；

步骤4)：生理信号反馈模块将步骤3)中所述反馈信息进行实时处理，处理后以视觉动画形式呈现并反馈给受试者；

步骤5)：所述受试者接收步骤4)中视觉动画，根据视觉动画反馈自我调节训练策略，并继续进行反馈干预训练；重复进行步骤1)至步骤5)，直至训练任务结束。

根据上述方面，在所述步骤2)中数据预处理模块包括独立成分分析(ICA)模块，滑动平均模块，样条插值模块和带通滤波模块；其中，ICA单元用于独立成分提取及重建，去除无关信号成分；滑动平均模块检测和去除尖峰噪声数据；样条插值模块基于移动标准差和样条插值的方法检测和去除运动伪影；带通滤波采用巴特沃斯滤波方法，去除长距离的基线漂移且最大程度保留信号的幅值和相位信息。

根据上述方面，在所述步骤3)中多频段解析模块利用小波变换方法对信号进行频率段划分提取，并计算五个频率段的小波幅值(Wavelet Amplitude，WA)以及小波相位相干值(Wavelet Phase Coherence，WPCO)；其中，WA表征脑区激活强度指标参数，WPCO表征功能连接强度指标参数。

根据上述方面，在所述步骤4)中生理信号反馈模块通过数据可视化处理，实现实时处理步骤3)中所述指标参数，并形成视觉动画形式反馈给受试者。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

优选地，本发明提供了一种基于近红外的多频段生理信号反馈方法。

优选地，本发明相较于脑电信号反馈系统，空间分辨率高，可对大脑皮层活动信号进行监测和记录。

优选地，本发明相较于功能磁共振神经反馈系统，时间分辨率高，可实时进行大脑功能区域活动信号的响应、显示和记录。

优选地，本发明可提供多频段生理信号反馈，包括多频段脑区激活反馈和多频段功能连接反馈。

优选地，本发明中所述多频率段生理信号分为五个频率段，每个频率段对应不同的生理来源：频段I(0.6-2Hz)表征心率活动，频段II(0.145-0.6Hz)表征呼吸活动，频段III(0.052-0.145Hz)表征肌源性活动，频段IV(0.021-0.052Hz)表征神经性活动，频段V(0.0095-0.021Hz)表征内皮细胞代谢活动。

优选地，本发明中所述多频段生理信号反馈包括高频生理信号表征的训练强度反馈和低频神经活动信号所表征的神经反馈。

优选地，本发明在所述生理信号反馈模块提供实时视觉动画反馈，增加反馈干预训练过程的趣味性和生动性，利于受试者积极参与训练过程。

优选地，本发明提供的反馈系统和方法使受试者可根据自身不同频率段生理信号的反馈信息，调整训练策略，实现自我调节脑功能。

附图说明

图1为多频段生理信号反馈方法及系统构成示意图；

图2为多频段生理信号反馈系统结构框图；

图3为近红外光谱设备对应的通道布置位置图；

图4为多频段大脑皮层活动示意图；

图5为多频段脑功能连接示意图；

图6为实时视觉动画反馈界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的基于近红外的多频段生理信号反馈方法及系统。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其做出任何限制。

下面结合附图对本发明的具体实施方案进行详细说明。

图1为基于近红外的多频段生理信号反馈方法及系统构成示意图。本发明所提供的基于近红外的多频段生理信号反馈方法及系统可在特定反馈干预训练过程中应用非侵入式近红外设备采集受试者大脑皮层血氧信号，通过布置在前额叶、运动区和枕叶皮层的光源探头模板监测受试者特定脑区的皮层信号，再通过小波变换方法将血氧信号解析成多频段信号，并计算特定频率段大脑皮层活动强度指标参数及功能连接强度指标参数；建立大脑皮层活动强度指标参数及功能连接强度指标参数与反馈界面动画参数的联系，通过视觉动画形式反馈给受试者，以期让受试者根据反馈信息调整自身训练策略，学习自我调节生理活动和神经活动，最终达到使特定功能区域神经活动得到有效训练，改善受试者脑功能的效果。

图2为基于近红外的多频段生理信号反馈系统结构框图。本发明包括生理信号采集模块、数据预处理模块、多频段解析模块、生理信号反馈模块和显示模块。

生理信号采集模块用于实时地采集受试者大脑皮层的脑血氧信号。具体地，该生理信号采集模块使用近红外光谱设备，可无损检测大脑皮层的血氧信号，研究大脑特定功能区域的生理活动信号。在需探测的脑功能区域合理布置近红外光源发射探头及光接收探头，从而采集受试者大脑皮层的脑血氧信号。

图3为按照国际10-10电极布置系统布置的近红外光谱设备对应通道位置图，图中S表示近红外光谱脑血氧检测设备的光源发射探头位置，D表示近红外光谱脑血氧检测设备的光接收探头位置。在进行脑血氧监测时，近红外通道位置应按照图3所示在需探测的脑区合理布置。

数据预处理模块用于实时地对近红外光谱设备采集的原始数据进行预处理，以去除信号中的噪声成分。

数据预处理模块包括独立成分分析(ICA)单元、滑动平均单元，样条插值单元和带通滤波单元，该数据预处理模块可对近红外光谱设备采集的脑血氧数据信号进行预处理，实现数据提取重建、去除异常信号、去除运动伪影，并进行基线校正。

ICA单元应用ICA算法对信号进行提取和重建，消除表皮噪声。

ICA单元在本发明中主要应用步骤如下：

(1)分别将采集到的脑血氧信号利用连续小波变换分析方法分解出不同频率段的成分，包括心率活动(0.6-2Hz)相关信号，呼吸活动(0.145-0.6Hz)相关信号，肌源性活动(0.052-0.145Hz)相关信号，神经源性活动(0.021-0.052Hz)相关信号和内皮细胞代谢活动(0.0095-0.021Hz)相关信号；

(2)得到利用ICA算法分解出的不同独立成分信号的功率谱，检查所有成分功率谱，留下感兴趣的信号成分，同时去除不需要的信号成分；

(3)使用感兴趣的独立成分信号重建脑血流动力学反应。

滑动平均单元利用滑动平均窗口平均化异常数据，去除脑血氧信号脉冲型干扰噪声，提高信噪比。

样条插值单元基于移动标准差和样条插值的方法检测和去除运动伪影。

带通滤波单元利用巴特沃斯滤波去除长距离的基线漂移且最大程度保留信号的幅值和相位信息。

多频段解析模块用于从预处理后的脑血氧信号提取多频段生理信号强度指标参数。

多频段解析模块包括多频段小波幅值(WA)分析单元和多频段小波相位相干(WPCO)分析单元。

对于多频段WA分析模块，首先利用连续小波变换方法对预处理之后的脑血氧信号进行分频段，划分为五个频率段，每个频率段对应不同的生理来源：频段I(0.6-2Hz)表征心率活动，频段II(0.145-0.6Hz)表征呼吸活动，频段III(0.052-0.145Hz)表征肌源性活动，频段IV(0.021-0.052Hz)表征神经性活动，频段V(0.0095-0.021Hz)表征内皮细胞代谢活动；其次提取多频段大脑皮层激活程度强度指标WA。WA定义为小波幅值。WA可以反映脑血氧信号的波动强弱，在本发明中，将多频段WA的值作为表征大脑皮层区域活动强度指标，WA值越大，代表大脑特定皮层区域中活动强度越高。

此外，在本发明中，频率段I(0.6-2Hz)和II(0.145-0.6Hz)中的WA值反映全局性生理活动激活水平，而频带III(0.052-0.145Hz)、IV(0.021-0.052Hz)和V(0.0095-0.021Hz)中的WA值反映功能性低频振荡活动激活水平。

图4为多频段WA表征的大脑皮层激活程度示意图，图中显示I-V五个频段的脑区激活图示例。

对于多频段WPCO分析模块，首先利用连续小波变换方法对预处理之后的脑血氧信号进行分频段，同样划分为五个频率段，每个频率段对应不同的生理来源：频段I(0.6-2Hz)表征心率活动，频段II(0.145-0.6Hz)表征呼吸活动，频段III(0.052-0.145Hz)表征肌源性活动，频段IV(0.021-0.052Hz)表征神经性活动，频段V(0.0095-0.021Hz)表征内皮细胞代谢活动；其次提取多频段脑功能连接强度指标WPCO；

小波相位相干性(WPCO)，是利用信号的相位信息来评估两个信号关联性的一种方法。WPCO通过比较两个信号瞬时相位在时间序列中的一致程度来确定信号之间的关联性。给定两时间序列x_1,2(t_n)，对应的瞬时相位分别为

和

则瞬时相位差为：

其中f是小波变换结果的频率，t是时间参数。

将

和

在时域内平均后，可得：

其中n＝1,2,3，...，N，N是血氧信号序列中包含的数据点的数量。

则小波相位相干性定义为：

小波相位相干值在0到1之间。小波相位相干性值越大，说明两个时间序列的对应频率成分的相位差在测量过程中一致性高，反映在脑血氧信号上，表明两信号之间存在较强的相位同步性；大脑不同区域血氧信号间WPCO值越大，表示两个区域之间的功能连接越强。反之，小波相位相干性值越小，说明两个信号之间相位同步性较低；大脑不同区域血氧信号间WPCO值越小，表示两个区域之间的功能连接越弱。

此外，在本发明中，频率段I(0.6-2Hz)和II(0.145-0.6Hz)中的WPCO值反映全局性生理信号，而频带III(0.052-0.145Hz)、IV(0.021-0.052Hz)和V(0.0095-0.021Hz)中的WPCO值反映功能性低频振荡信号。

图5为多频段WPCO表征的脑功能连接示意图，图中显示I-V五个频段的脑功能连接图示例。

生理信号反馈模块用于将多频段解析模块提取的强度指标参数进行实时数据可视化处理，并反馈给受试者。生理信号反馈模块接收多频段解析模块传来的反馈指标参数，并进行处理计算，实现以动画形式实时呈现反馈内容。

生理信号反馈模块在具体实现时，可进行反馈内容、目标阈值，频率段等参数的设置选取，可以根据实际应用中的需要进行针对性设定。

显示模块用于显示生理信号反馈模块的反馈过程。显示模块中的显示设备如显示屏等用于实时呈现视觉动画反馈内容。

图6为视觉动画反馈界面示意图，图中所示红色虚线代表设定的WA或WPCO阈值；图中动画形象小鱼的位置代表干预训练过程中受试者WA或WPCO值得大小；当受试者WA或WPCO值超过设定阈值，图中所示小鱼会吞掉诱饵。

所属领域技术人员可以理解本发明所涉及附图只是优选实施例的示意图。

上述内容结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，包括：

生理信号采集模块，该生理信号采集模块用于实时地采集受试者大脑皮层的脑血氧信号；

数据预处理模块，该数据预处理模块用于实时地对生理信号采集模块采集的原始数据进行预处理，以去除信号中的噪声成分；

多频段解析模块，该多频段解析模块用于从预处理后的脑血氧信号提取多频段生理信号强度指标参数；

生理信号反馈模块，该生理信号反馈模块用于将多频段解析模块提取的强度指标参数进行实时数据可视化处理，并反馈给受试者；以及

显示模块，该显示模块用于显示生理信号反馈模块的反馈过程。

2.根据权利要求1所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述生理信号采集模块为功能近红外光谱设备，该设备包括能够布置在需探测的大脑区域的近红外光源发射探头及光接收探头，从而采集受试者大脑皮层的脑血氧信号。

3.根据权利要求1所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述数据预处理模块包括独立成分分析单元，所述独立成分分析单元用于独立成分的提取及重建并且去除无关信号成分。

4.根据权利要求3所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述数据预处理模块包括滑动平均单元，所述滑动平均单元用于检测和去除尖峰噪声数据。

5.根据权利要求3所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述数据预处理模块包括样条插值单元，所述样条插值单元用于检测和去除运动伪影。

6.根据权利要求3所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述数据预处理模块包括带通滤波单元，所述带通滤波单元用于去除长距离的基线漂移且最大程度保留信号的幅值和相位信息。

7.根据前述权利要求中任一项所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述频段解析模块包括多频段小波幅值分析单元，所述多频段小波幅值分析单元将多频段小波幅值作为脑区激活强度指标，并将多频段小波幅值作为反馈信息传至所述生理信号反馈模块。

8.根据权利要求7所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述频段解析模块还包括多频段小波相位相干性分析单元，所述小波相位相干性分析单元以多频段小波相位相干值作为脑区间功能连接强度指标，并将多频段小波相位相干值作为反馈信息传至所述生理信号反馈模块。

9.根据权利要求1所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统，其特征在于，所述生理信号反馈模块将可视化处理后的强度指标参数以动画形式反馈给受试者，并且所述显示模块用于显示生理信号反馈模块的动画反馈过程。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的基于近红外的多频段生理信号反馈系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取受试者的脑血氧信号；

2)将所获取的脑血氧信号传至数据预处理模块，该数据预处理模块对脑血氧信号原始数据进行预处理，去除原始信号中的噪声信号；

3)将预处理后的脑血氧信号传至多频段解析模块，该多频段解析模块将脑血氧信号划分为五个频率段，每个频率段的生理信号对应不同生理来源，并且能够提取出大脑特定频率段的脑区激活强度指标参数和脑功能连接强度指标参数，然而将脑区激活强度指标和脑功能连接强度指标作为反馈信息；

4)利用生理信号反馈模块将所述反馈信息进行实时处理，处理后以视觉动画形式呈现并能够反馈给受试者，以使得能够根据视觉动画反馈调节训练策略，并继续进行反馈干预训练。

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