CN113274010A - 基于hct的近红外脑功能成像仪3d分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脑功能检测系统，具体涉及一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，包括：近红外脑成像装置：用于采集受试者的红外波形信号，生成红外脑成像波谱；HCT认知任务模块：用于向受试者提供高水平认知任务；存储模块：用于存储近红外脑成像装置生成的红外脑成像波谱；图谱分析模块：用于对近红外脑成像装置采集的红外脑成像波谱进行分析和运算，并于正常；所述高水平认知任务包括记忆训练﹑运算训练、逻辑思维训练、抽象思维训练和反向思维训练，用于综合评价受试者的判断能力、语言能力、注意力、思维能力、组合能力、想像能力。本发明的HCT的红外脑成像装置，基于HCT认知任务模块进行图谱采集，可以实现更显著的脑成像图谱采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种脑功能检测系统，具体涉及一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统。
背景技术
自上世纪70年代开始，近红外光谱技术(NIRS) 开始成为测量活体血氧水平的无创技术，该技术是利用血红蛋白引起的光强变化来测量局部组织的血氧水平。Frans Jöbsis是活体NIRS的创建者。1977年他发表了用透射光谱法可以实时无创性地检测氧合血红蛋白。1992 年发现近红外光谱技术(NIRS) 能检测到人类大脑皮层功能活动（血氧水平变化）之后，该技术在脑功能研究和临床应用方面得到了快速发展。其利用近红外光对生物体良好的穿透作用，通过光纤探头发射近红外光穿透大脑皮层并反射回接收探头，在光的吸收量发生变化的同时，检测局部血氧（oxy-Hb, deoxy-Hb）浓度变化，这被认为是一种对大脑皮层神经活动的间接测量，实现不同脑区多通道同时检测，达到研究高级脑功能的目的。目前被广泛用于神经认知科学、 心理学、神经反馈、脑功能定位、癫痫、康复、儿童学研究、感官认知能力及精神病学等多方面，并逐步由科研走向临床医用。作为一种无创的功能性神经成像技术，NIRS能提供电生理信号之外的与脑功能活动相关的血液动力学信息，对精神科疾病的早期诊断和治疗有很大意义。
通过NIRS测量反映出氧合血红蛋白减弱，是局部组织氧气供给和消耗之间相对“静态”的平衡，对脑皮层动态变化的响应具有一定的滞后性。但临床目前缺乏对脑部血流动力学状态进行全面评估的客观工具。近年来，一种“动态”的NIRS技术得到了发展，称为漫射光相关谱技术（DCS）；相对于测量光强变化的NIRS技术， DCS利用时间自相关方法来快速估计红细胞的运动引起的光场扰动，是一种直接测量组织血流的新技术。除此之外，将DCS血流和NIRS血氧相结合，可以计算血氧代谢率，从而获得全面的脑功能状态。
但是，现有的近红外脑成像仪在进行图谱采集时，其所得的图谱一般难以辨识，图谱的识别和理解比较繁琐，无法在临床中发挥更大的作用，而且，NIRS数据只能以二维曲线的形式显示，无法为诊断医生提供更加鲜明和直观的图谱结果显示。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，以实现更显著的脑成像图谱采集。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，包括：
NIRS设备：用于采集受试者的红外波形信号，生成红外脑成像波谱；
HCT认知任务模块：用于向受试者提供高水平认知任务；
脑图像扫描仪：用于采集受试者的脑部图像数据；
三维图像重建单元：用于根据脑图像扫描仪采集的受试者脑部图像数据，生成受试者的脑组织解剖三维影像；
数据融合模块：用于将三维图像重建单元生成的脑组织解剖三维影像与NIRS设备采集的红外脑成像波谱进行数据融合，生成图像数据融合图谱，所述图像数据融合图谱上标注了NIRS设备采集的各个通道位点，并将各通道对应的红外脑成像波谱中的血红蛋白浓度特征值标注在对应的各个通道位点；
所述HCT认知任务模块包括记忆训练模块﹑运算训练模块、逻辑思维训练模块、抽象思维训练模块和反向思维训练模块，分别用于向受试者提供记忆训练﹑运算训练、逻辑思维训练、抽象思维训练和反向思维训练。
所述HCT认知任务模块还包括：
任务显示单元：用于以一时间周期向受试者显示高水平认知任务；
反馈输入单元：用于供受试者根据高水平认知任务输入对应反馈信息；
同步控制模块：用于根据所述时间周期控制红外脑成像装置启动，进行红外脑成像波谱的采集和生成。
所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，还包括：
图谱分析模块：用于对近红外脑成像装置采集的红外脑成像波谱进行分析和运算，得到受试者红外脑成像波谱的平均波形图、斜率、积分值和重心值，以及频谱图。
所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，还包括：
输出显示模块：用于显示近红外脑成像装置采集的红外脑成像图谱，图谱分析模块的运算结果以及数据融合模块生成的图像数据融合图谱；
数据标注模块：用于输入数据图谱的对应的通道与其在脑组织解剖三维影像位点信息。
NIRS设备采集的波谱包括静息态图谱和HCT任务态图谱；所述静息态图谱和HCT任务态图谱分别为受试者处于无任务状态和高水平认知任务状态时采集的图谱；
所述输出显示模块显示的图像数据融合图谱包括静息态含氧血红蛋白融合图谱、静息态总血红蛋白融合图谱，HCT任务态含氧血红蛋白融合图谱、HCT任务态总血红蛋白融合图谱，HCT任务态总血红蛋白融合图谱。
脑图像扫描仪包括磁共振扫描仪和CT扫描装置。
所述磁共振扫描仪的型号为PHILIPS-RTEC3L4, Netherlands，其扫描参数为3D-T1WI:层厚1mm，FOV 256×256×256，TR 7.9，TE 3.9；3D-Flair：层厚1mm，FOV 200×232×180，TR 5000，TE 366.8；
所述CT扫描装置的型号为PHILIPS-BRILLIANCE 64, Netherlands，扫描参数：层厚0.625mm，FOV 256×256×256。
三维图像重建单元基于3D-Slicer软件生成受试者的脑组织解剖三维影像，具体方法为：
依次将磁共振扫描仪的DICOM格式数据导入3D-Slicer软件中，首先在二维视窗中调节灰白度，直至可以连续观查轴位、矢状位、冠状位的颅脑解剖结构；
然后运行Registration模块将不同时间扫描的3D-T1WI、3D-Flair、CT图像进行配准；
配准成功后，通过Volume、Volume Rendering和Segment Editor模块，在三维视窗将3D-T1WI序列重建头皮、3D-Flair重建脑实质、CT图像重建颅骨等依次操作后，在二维和三维视窗同时查看；
调整透明度、阈值逐层显示查看通道位点、颅骨以及大脑沟回的位置关系。
所述图像数据融合图谱通过颜色渲染标注NIRS设备采集的各个通道位点对应的红外脑成像波谱中的血红蛋白浓度特征值，所述特征值为氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的积分值。
所述NIRS设备采集和生成的红外脑成像波谱包括大脑额和颞叶的氧合血红蛋白变化图谱和脱氧血红蛋白浓度变化图谱。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其基于HCT认知任务模块对受试者进行红外脑成像波谱采集，该任务模块通过由易到难地为病人选择进阶模式训练，包括记忆训练﹑运算训练、逻辑思维训练、抽象思维训练、反向思维训练等，综合评判患者的判断能力、语言能力、注意力、思维能力、组合能力、想像能力等，通过在认知训练后采集大脑额﹑颞叶区的红外波谱数据，实验证实本发明的HCT的红外脑成像装置可以实现更显著的脑成像图谱采集，此外，本发明通过结合脑图像扫描仪采集的脑部图像数据，进行生成脑组织解剖三维影像，并通过数据融合模块将脑成像图谱与脑部图像数据融合，生成图像数据融合图谱，可以直观受试者的脑功能，有助于提高医师的检测结果阅读速度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统的结构框图；
图2本发明实施例中采集到的通道的平均波形图；
图3为VFT任务下血红蛋白浓度的变化波形；
图4为在高水平认知任务HCT下，血红蛋白浓度的变化波形；
图5为VFT任务态下10个人的血红蛋白浓度的变化波形；
图6为在HCT任务态下10个人的血红蛋白浓度的变化波形；
图7为VFT任务态下10个人的前额叶氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]变化曲线的平均频谱图；
图8为HCT任务态下10个人的前额叶氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]变化曲线的平均频谱图；
图9为三维图像重建单元生成的受试者的脑组织解剖三维影像；
图10为标注通道位点后的3D图像；
图11为输出显示模块输出显示的静息态脑功能图；
图12为输出显示模块输出显示的HCT态脑功能图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，包括：
NIRS设备：用于采集受试者的红外波形信号，生成红外脑成像波谱；
HCT认知任务模块：用于向受试者提供高水平认知任务；
脑图像扫描仪：用于采集受试者的脑部图像数据；
三维图像重建单元：用于根据脑图像扫描仪采集的受试者脑部图像数据，生成受试者的脑组织解剖三维影像；
数据融合模块：用于将三维图像重建单元生成的脑组织解剖三维影像与NIRS设备采集的红外脑成像波谱进行数据融合，生成图像数据融合图谱，所述图像数据融合图谱上标注了NIRS设备采集的各个通道位点，并将各通道对应的红外脑成像波谱中的血红蛋白浓度特征值标注在对应的各个通道位点。
具体地，本实施例中，NIRS设备采集的波谱包括静息态图谱和HCT任务态图谱；所述静息态图谱和HCT任务态图谱分别为受试者处于无任务状态和高水平认知任务状态时采集的图谱。所述NIRS设备采集和生成的红外脑成像波谱包括大脑额和颞叶的氧合血红蛋白变化图谱和脱氧血红蛋白浓度变化图谱。
布鲁姆将认知领域的目标分为识记、理解、运用、分析、综合和评价六个层次。认知能力分为基础认知能力和高级认知能力。清华大学心理学系教授蔡曙山对认知科学的日益发展做出解释：我们将人类认知从初级到高级划分为五个层级：神经层级的认知、心理层级的认知、语言层级的认知、思维层级的认知、文化层级的认知，简称神经认知、心理认知、语言认知、思维认知和文化认知。迄今为止，人类认知只能而且必需被包含在这五个层级之中。前两个层级的认知即神经认知和心理认知是人和动物共有的，称为“低级认知”（lower-order cognition），后三个层级的认知是人类所特有的，称为“高级认知”（higher-ordercognition）。五个层级的认知形成一个序列：神经认知-心理认知-语言认知-思维认知-文化认知，在这个序列中，低层级的认知是高层级认知的基础，高层级的认知向下包含并影响低层级的认知。
根据美国Anders Ericsson和Robert Pool的著作《PEAK Secrets from the NewScience of Expertise》，研究者由易到难为病人选择进阶模式训练，包括记忆训练﹑运算训练、逻辑思维训练、抽象思维训练、反向思维训练等，综合评判患者的判断能力、语言能力、注意力、思维能力、组合能力、想像能力等。
上述HCT认知任务模块中的HCT来源于高水平认知任务（HCT，high level ofcognition task）。具体地，本实施例中，所述HCT认知任务模块包括分别用于向受试者提供记忆训练﹑运算训练、逻辑思维训练、抽象思维训练和反向思维训练任务的模块，用于综合评价受试者的判断能力、语言能力、注意力、思维能力、组合能力、想像能力。下面分别介绍本发明中的HCT认知任务模块中的各个任务模块。
一、记忆训练模块：用于指向受试者提供测试和训练记忆相关的任务，记忆训练的方法有以下几种：
1、交替记忆法：又叫分布记忆法式重视头尾记忆法。其把不同性质的识记材料按时间分配、交替进行记忆的方法。方法：把重要的事情放在开头和结尾去记；记忆大篇幅的材料，可采取分段记忆法；平均分配复习的力量；合理地组织识记材料，尽量使前后相邻的学习内容截然不同，防止抑制作用的发生；合理安排时间。早晨和晚上这两个“黄金时间”不能错过，在长时间学习中，中间要休息休息。
2、自测记忆法：通过自己测验自己来增强记忆的方法。 自测记忆方法如下几种：1）定期测验。从时间上可分为当日测、周日测两种。从课程内容上可分为单元测、全书测两种。 2)默写自测。默写出文字符号比只看不写的记忆效果显着。这是因为默写时注意力高度集中，大脑思维积极活跃，必然使记忆的知识得到很好的巩固。3）设问自答。从多种角度设问自答，就会收到意想不到的效果。设问自答能使人进一步明确学习的目的，增强学习的兴趣。
3、系统记忆法：即按照科学知识的系统性，把知识顺理成章，编织成网，把知识条理化，系统化了就会在脑子里留下深刻的痕迹。往往还可以采用列表比较的方法。记忆是智慧的仓库，应该把各种知识分门别类地放在应放的位置上。
4、争论记忆法：通过与别人对识记材料进行争论探讨以强化记忆的方法。 一方面全神贯注地听取对方的意见，同时分析其中的正误；一方面积极思维，评论对方的见解，阐述自己的观点。这种情况下，信息输入大脑容易留下较深刻的印象。运用争论记忆法应该注意以下几点：动机要正确，态度要端正。方法要对头。
5、理解记忆法：理解记忆法，理解是关键，是记忆的基础。要理解，就应对记忆的内容进行分析、判断。掌握它们内在的逻辑联系和层次关系，抓住表现内容实质的关键处。
6、尝试回忆法：就是在背记过程中，不断地自己考自己。考的方法很多，主要是采用自己复述、自己默写等方式。 可以及时了解自己在学习中的记忆情况。进行尝试回忆，目的是逐字逐句地再现读物，这能促使自己逐字逐句地读，把目标对准那些尚未记住的材料。
7.背诵记忆法：这种利用反馈效应尝试背诵的记忆方法称为背诵记忆法。实验表明，让记忆者了解自己的记忆效果，即给予信息的反馈，往往能够提高记忆效果。 每次尝试背诵就是给予一次记忆信息的反馈，提高记忆的自觉性和主动性。
8.比较记忆法：对相似而又不同的识记材料进行对比分析，弄清它们的异同以进行记忆的方法。全面、准确、深刻地识记材料。记忆的准确性与最初识记有直接的关系，而比较是达到准确记忆的关键。
二、运算能力训练模块：用于指向受试者提供测试和训练运算能力的任务。
加强运算训练是提高计算能力的基础，计算要经过观察、比较、想象等一系列的思维活动，学会独立思考，展示不同层次的思考结果，归纳总结。要及时对多样化算法进行优化，从而寻找出简单、容易、快速的方法，引导学习进行比较、交流，去感受、领悟不同方法的优劣，作出合理的取舍和评价。激发学习的欲望与兴趣，创造一个自主探索的空间，把学习的主动权交给学生，在实践操作中得到亲身体验。
三、抽象思维训练模块：用于指向受试者提供测试和训练受试者抽象思维能力的任务。
抽象思维是大脑左半球的主要功能。在目前学校各门课程学习活动中，大量地进行读、写、算，即阅读、写作、计算、分析、逻辑推理和言语沟通等，其过程主要是以语言、逻辑、数字和符号为媒介，以抽象思维为主导。要注意以下五点：要学习掌握和运用科学概念、理论和概念体系;要掌握好和用好语言系统;要重视科学符号的学习和运用;与思维的基本方法密切配合运用;与抽象记忆法、理解记忆法及其派的方法联合训练，可以起到互相促进的较佳效果。
四、逆向思维训练模块：用于指向受试者提供测试和训练逆向思维能力的任务。
逆向思维是对司空见惯的事物或观点反过来思考的一种思维方式，从问题相反的方向去思考，创立新思维，逆向思维总是与常人的思维取向相反。分为三种方式：条件逆向思维，过程逆向思维。条件逆向思维是从是事物的依存关系考虑，前后、左右、上下、大小的关系颠倒着进行逆向思维。过程逆向思维是从物态变化角度进行对比思考，即看到从一种状态变为另一种状态时，思考与之相反的变化。位置逆向思维是对已知的两类不同事物或某些方面的属性进行对调和结构变换，达到发明创造的能力。以逆向模式推论结果，达到问题简单化的目的。
五、逻辑思维训练模块：用于指向受试者提供测试或训练逻辑思维能力的任务。
逻辑思维训练中，通过符号化、形式化、不断提高逻辑分析理论中的技术含量；非形式、非思维，不断减少逻辑分析中的技术含量，更加贴近自认语言，更加贴近日常思维，更加注重非技术的日常逻辑思维能力训练。
逻辑基础课程有三类，第一类是“数理逻辑”，主要内容是一阶段逻辑和现代逻辑的一些基础分支；第二类是“逻辑导论”，是传统逻辑和现代逻辑某些内容的混合；第三类是所谓的“批判性思维”，主旨是进行思维训练以提高日常思维的能力。
进一步地，如图1所示，所述HCT认知任务模块还包括：
任务显示单元：用于以一时间周期向受试者显示高水平认知任务；
反馈输入单元：用于供受试者根据高水平认知任务输入对应反馈信息；
同步控制模块：用于根据所述时间周期控制红外脑成像装置启动，进行红外脑成像波谱的采集和生成。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，还包括：
图谱分析模块：用于对近红外脑成像装置采集的红外脑成像波谱进行分析和运算，得到受试者红外脑成像波谱的平均波形图、斜率、积分值和重心值，以及频谱图。
输出显示模块：用于显示近红外脑成像装置采集的红外脑成像图谱，图谱分析模块的运算结果以及数据融合模块生成的图像数据融合图谱；
数据标注模块：用于输入数据图谱的对应的通道与其在脑组织解剖三维影像位点信息。
下面结合图2来说明本发明实施例中对数据的处理过程。
图2为本发明实施例中采集到的通道的平均波形，图中，横轴表示时间，纵轴分别表示氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化（mMmm）。左侧线L1表示开始语言流畅性课题（任务开始时刻），提示第一个头文字。右侧线L2表示第 3 个头文字组词结束（任务结束时刻），接着再次重复指示受检者说。图中的正值表示从课题开始之前反应量在相对增加，负值表示反应量相对减少。需要注意的参数有三个，分别是课题开始 5 秒内反应的速度（初始激活）、课题激活反应的大小（积分值）、通过整个检查过程发现反应时间（重心值）。
任务开始前10秒至任务开始时刻（t0）这10秒定义为基线期，任务开始时刻（t0）至任务结束时刻这60秒定义为任务期，任务结束后的55秒定义为恢复期。
测量变量：氧合血红蛋白浓度变化值∆[HbO2], 脱氧血红蛋白浓度变化值∆[Hb]，总血红蛋白浓度变化值∆THC；其中∆[HbO2]和∆[Hb]是由每通道采集的光强信号根据Modified Beer-Lambert定律计算得到，∆THC是二者之和；以上三个变量的单位均为：毫摩尔每升（mmol/L）对于每个测量变量（∆[HbO2]，∆[Hb]或∆THC），计算出参数：斜率、积分值和重心值，并将这三个参数作为评价参数来评价红外脑成像图谱。
其中，斜率定义为任务开始时变量的5秒内的平均变化率，即sl = [V(t0+5)-V(t0)]/5;这里V为测量变量，t0（单位：秒）为任务开始时刻。斜率代表任务初始激活的血氧敏感程度。
其中，积分值为测量变量在60秒任务期内的叠加求和，即任务开始时刻和结束时刻（上图两条竖线L1和L2）与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度曲线所包围的面积。积分值代表任务激活的血氧反应大小。
其中，重心值为将整个任务（包括10秒基线期、60秒任务期和55秒恢复期）的血氧反应（即氧合血红蛋白曲线）一分为二的中心时刻，其计算过程：将测量变量在整个任务过程（10秒+60秒+55秒）进行积分，得到总积分值，然后寻找使积分值达到总积分值一半的首个时刻（上图中虚线L3所示），即该测量变量在重心值之前（即从基线期开始时刻到重心值）的积分和重心值之后（即从重心值到恢复期结束时刻）的积分正好相等，重心值代表任务激活的血氧反应时间。
本发明实施例中，通过近红外脑成像装置采集高水平认知任务HCT任务态、VFT（语言流畅任务）任务态和静息态的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白浓度(即δ[HbO2]，δ[Hb]和THC)。额叶颞叶的积分值、重心和斜率。并从这些氧合变量中计算出质心和积分值等派生参数。分别取前额叶和颞叶近红外信号的氧合数据的平均值。本发明实验例中，采用了三个样本组，分别为VFT组、HCT组、正常对照组，每组10人。
图3所示的是在VFT任务下，血红蛋白浓度的变化波形。在图3中，两条曲线分别表示氧合血红蛋白（oxyHb）浓度和脱氧血红蛋白浓度（deoxyHb）。图中数字标出的是积分值。图3(a)是正常人的血红蛋白浓度的变化波形，图3(b)是处于急性期焦虑抑郁患者的血红蛋白浓度的变化波形。
图4所示的是在本发明实施例的高水平认知任务HCT下，血红蛋白浓度的变化波形。图4(a)是正常人的血红蛋白浓度的变化波形，图4(b)是处于急性期焦虑抑郁患者的血红蛋白浓度的变化波形。
图5所示的是在VFT任务下，10个人的平均血红蛋白浓度的变化波形。图5(a)是十个正常人的平均血红蛋白浓度的变化波形，图5(b)是十个处于急性期焦虑抑郁患者的平均血红蛋白浓度的变化波形。
图6所示的是在本发明实施例的高水平认知任务下，10个人的平均血红蛋白浓度的变化波形。图6(a)是十个正常人的平均血红蛋白浓度的变化波形，图6(b)是十个处于急性期焦虑抑郁患者的平均血红蛋白浓度的变化波形。
图3~6中的数字标出的是积分值，即氧合血红蛋白浓度曲线与横轴围成面积。
对于90%的研究对象而言，研究发现VFT任务和HCT任务两种方案下，氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]均显著增加，且脱氧血红蛋白浓度δ[Hb]的减少幅度相对较小。统计分析显示，HCT比VFT激活更多的增氧，氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]积分值较大，说明研究对象的脑功能活跃。平均而言，在采用HCT方案时，A&D患者的δ[HbO2]积分值在急性期、巩固期、维持期有很大差异。氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]的积分值从大到小依次为维护期、巩固期和急性期。此外，前额叶和颞叶对HCT方案的反应比VFT方案更一致。而在VFT方案下，前额叶和颞叶在急性期、巩固期、维持期这三个阶段的积分值均无显著差异。
上述实验证明，高水平认知任务HCT对脑功能的参与更为强烈，它会激活额叶皮质更多的氧合变化。此外，根据氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]的浓度曲线来看，本发明实施例的红外脑成像图谱采集装置，由于采用高水平认知任务HCT进行红外脑成像图谱采集，采集到的图谱具有较好的分期鉴别能力，具有评价A&D患者治疗效果的潜力。
图7与8所示的分别是在VFT状态下和在HCT任务下10个人的前额叶氧合血红蛋白浓度δ[HbO2]变化曲线的平均频谱图。其中，(a)是正常人，(b)是抑郁患者，(c)是焦虑抑郁患者。图中的数字表示的是峰值对应的频率和振幅。
图7~8所示的正常人、抑郁患者和焦虑抑郁患者的振幅随频率的增加而下降。图7可知，在VFT状态下，三组频谱图的振幅变化均小。振幅由高到低依次为：焦虑抑郁患者、抑郁患者、正常人。图8可知，在执行HCT任务时，首先，三组振幅均高于VFT，正常人最高，焦虑抑郁患者次之，抑郁患者最低；其次，三组均有一个中间锋，也就是说，HCT任务下的频率图有一个特性值指标——中间峰，其说明精神疾病患者脑功能有特殊频率的振荡波。图7~8的结果表明，HCT任务态下，三组患者血红蛋白变化有显著性差异，患者大脑激活程度弱于正常人，且大脑活动存在某一特定频率的曲线波，可以从其中间峰的显著性来看，抑郁症患者的中间峰最突出，其显著性最高，焦虑抑郁患者次之，正常人的中间峰最不显著。综合图7和图8，证实了本发明的基于HCT的红外脑成像图谱采集装置，采用高水平认知任务HCT可以增强红外脑成像图谱的功率谱特征。
具体地，本发明实施例中，脑图像扫描仪包括磁共振扫描仪和CT扫描装置。所述磁共振扫描仪的型号为PHILIPS-RTEC3L4, Netherlands，其扫描参数为3D-T1WI:层厚1mm，FOV 256×256×256，TR 7.9，TE 3.9；3D-Flair：层厚1mm，FOV 200×232×180，TR 5000，TE366.8；所述CT扫描装置的型号为PHILIPS-BRILLIANCE 64, Netherlands，扫描参数：层厚0.625mm，FOV 256×256×256。NIRS 设备使用 52 通道的 NIRS 装置——日立医疗公司生产的脑功能定量成像装置 ETG-4000。配置 3×11 探头架按照左右对称的方式依据脑电国际 10-20 法与 T3-Fpz-T4 的线保 持一致，并记录好 T3-T4 及 T3-Fpz 的距离。NIRS 检测是发射近红外光照射大脑皮层，检测其反射后返回至头皮的光量的变化。这种佩戴在头部发射和接收光源的装置，被成为探头能够看到一个如同帽子的探头，观察它与头皮的接触面，可以发现探头的突起以等间距方式排列。合计配置了 33 个发射探头和检测探头，呈格子状排布。发射探头和检测探头之间，也就是发射光在大脑内部反射的地方，是检测部位，被称为通道。
具体地，本发明实施例中，三维图像重建单元基于3D-Slicer软件生成受试者的脑组织解剖三维影像，具体方法为：
依次将磁共振扫描仪的DICOM格式数据导入3D-Slicer软件中，首先在二维视窗中调节灰白度，直至可以连续观查轴位、矢状位、冠状位的颅脑解剖结构；
然后运行Registration模块将不同时间扫描的3D-T1WI、3D-Flair、CT图像进行配准；
配准成功后，通过Volume、Volume Rendering和Segment Editor模块，在三维视窗将3D-T1WI序列重建头皮、3D-Flair重建脑实质、CT图像重建颅骨等依次操作后，在二维和三维视窗同时查看；
调整透明度、阈值逐层显示查看通道位点、颅骨以及大脑沟回的位置关系。
如图9所示，为三维图像重建单元生成的受试者的脑组织解剖三维影像，其中，A为MRI原始图像与三维重建的脑组织；B为MRI与CT数据融合以及三维重建结果。
具体地，本发明实施例中，数据融合模块通过Adobe Photoshop进行渲染和图谱绘制，具体实施时，可以由神经外科医生和一名精神科医生，将数据图谱与脑解剖位置一一对照，结合3D图像模型，通过数据标注模块标出各通道位点，标注通道位点后的图像如图10所示。标注完成后，数据融合模块通过Adobe Photoshop进行渲染和图谱绘制。渲染时，根据各通道的参数值，在3D图像中通道对应的位点渲染不同深度的颜色，以便于后期直观地在3D图像数据融合图谱中通过颜色深浅判断各个通道的参数值大小。
进一步地，本实施例中，所述图像数据融合图谱通过颜色渲染标注NIRS设备采集的各个通道位点对应的红外脑成像波谱中的血红蛋白浓度特征值，所述特征值为氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的积分值。
进一步地，如图11和图12所示，所述输出显示模块输出显示的图像数据融合图谱包括静息态脑功能图和HCT态脑功能图，其中，静息态脑功能图包括静息态含氧血红蛋白融合图谱、静息态总血红蛋白融合图谱，HCT态脑功能图包括HCT任务态含氧血红蛋白融合图谱、HCT任务态总血红蛋白融合图谱，HCT任务态总血红蛋白融合图谱。因此，本发明通过数据融合模块将三维图像重建单元生成的脑组织解剖三维影像与NIRS设备采集的红外脑成像波谱进行数据融合，生成图像数据融合图谱，上述图像数据融合图谱可以直观受试者的脑功能，有助于提高医师的检测结果阅读速度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，包括：
NIRS设备：用于采集受试者的红外波形信号，生成红外脑成像波谱；
HCT认知任务模块：用于向受试者提供高水平认知任务；
脑图像扫描仪：用于采集受试者的脑部图像数据；
三维图像重建单元：用于根据脑图像扫描仪采集的受试者脑部图像数据，生成受试者的脑组织解剖三维影像；
数据融合模块：用于将三维图像重建单元生成的脑组织解剖三维影像与NIRS设备采集的红外脑成像波谱进行数据融合，生成图像数据融合图谱，所述图像数据融合图谱上标注了NIRS设备采集的各个通道位点，并将各通道对应的红外脑成像波谱中的血红蛋白浓度特征值标注在对应的各个通道位点；
所述HCT认知任务模块包括记忆训练模块﹑运算训练模块、逻辑思维训练模块、抽象思维训练模块和反向思维训练模块，分别用于向受试者提供记忆训练﹑运算训练、逻辑思维训练、抽象思维训练和反向思维训练。
2.根据权利要求1所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，所述HCT认知任务模块还包括：
任务显示单元：用于以一时间周期向受试者显示高水平认知任务；
反馈输入单元：用于供受试者根据高水平认知任务输入对应反馈信息；
同步控制模块：用于根据所述时间周期控制红外脑成像装置启动，进行红外脑成像波谱的采集和生成。
3.根据权利要求1所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，还包括：
图谱分析模块：用于对近红外脑成像装置采集的红外脑成像波谱进行分析和运算，得到受试者红外脑成像波谱的平均波形图、斜率、积分值和重心值，以及频谱图。
4.根据权利要求3所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，还包括：
输出显示模块：用于显示近红外脑成像装置采集的红外脑成像图谱，图谱分析模块的运算结果以及数据融合模块生成的图像数据融合图谱；
数据标注模块：用于输入数据图谱的对应的通道与其在脑组织解剖三维影像位点信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，NIRS设备采集的波谱包括静息态图谱和HCT任务态图谱；所述静息态图谱和HCT任务态图谱分别为受试者处于无任务状态和高水平认知任务状态时采集的图谱；
所述输出显示模块显示的图像数据融合图谱包括静息态含氧血红蛋白融合图谱、静息态总血红蛋白融合图谱，HCT任务态含氧血红蛋白融合图谱、HCT任务态总血红蛋白融合图谱，HCT任务态总血红蛋白融合图谱。
6.根据权利要求1所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，脑图像扫描仪包括磁共振扫描仪和CT扫描装置。
7.根据权利要求6所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，所述磁共振扫描仪的型号为PHILIPS-RTEC3L4, Netherlands，其扫描参数为3D-T1WI:层厚1mm，FOV 256×256×256，TR 7.9，TE 3.9；3D-Flair：层厚1mm，FOV 200×232×180，TR5000，TE 366.8；
所述CT扫描装置的型号为PHILIPS-BRILLIANCE 64, Netherlands，扫描参数：层厚0.625mm，FOV 256×256×256。
8.根据权利要求6所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，三维图像重建单元基于3D-Slicer软件生成受试者的脑组织解剖三维影像，具体方法为：
依次将磁共振扫描仪的DICOM格式数据导入3D-Slicer软件中，首先在二维视窗中调节灰白度，直至可以连续观查轴位、矢状位、冠状位的颅脑解剖结构；
然后运行Registration模块将不同时间扫描的3D-T1WI、3D-Flair、CT图像进行配准；
配准成功后，通过Volume、Volume Rendering和Segment Editor模块，在三维视窗将3D-T1WI序列重建头皮、3D-Flair重建脑实质、CT图像重建颅骨等依次操作后，在二维和三维视窗同时查看；
调整透明度、阈值逐层显示查看通道位点、颅骨以及大脑沟回的位置关系。
9.根据权利要求1所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，所述图像数据融合图谱通过颜色渲染标注NIRS设备采集的各个通道位点对应的红外脑成像波谱中的血红蛋白浓度特征值，所述特征值为氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的积分值。
10.根据权利要求1所述的一种基于HCT的近红外脑功能成像仪3D分析系统，其特征在于，所述NIRS设备采集和生成的红外脑成像波谱包括大脑额和颞叶的氧合血红蛋白变化图谱和脱氧血红蛋白浓度变化图谱。
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| Title |
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| 莫雷，温忠麟，陈彩琦: "《临床技术操作规范 神经病学分册》", 广州：广东高等教育出版社 * |
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|---|---|---|---|
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