基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法。其中，该方法包括采集脑电信号与脑血氧信号；从脑电信号中提取事件诱发电位信号；提取事件诱发电位信号的时间特征；从脑血氧信号中提取血氧响应函数信号；提取血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征；分析事件诱发电位信号的时间特征对血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，得到耦合结果。本发明专利技术实施例从时间特征方面描述神经元电活动与血氧响应之间的关系，克服了传统神经血管耦合分析中，缺乏对神经元电活动与血氧响应时间特征研究的不足。

Analysis method of neurovascular coupling based on EEG and functional near infrared spectroscopy

The invention relates to a method for the coupling analysis of nerves and blood vessels based on EEG and functional near-infrared spectroscopy. Among them, the method includes collecting EEG and brain blood oxygen signal; signal extraction from event-related potentials in EEG signal feature extraction time; event-related potentials; extraction of oxygen response function signal from the brain blood oxygen signal extraction; oxygen response characteristics and time characteristics function signal; analysis of the influence of the time characteristics of the signal induced events the potential of the oxygen response characteristics and time characteristics of the signal function, get coupling results. The embodiment of the invention is to describe the relationship between neuronal activity and oxygen between the response from the time characteristic, to overcome the traditional analysis of neurovascular coupling, lack of neuronal activity and response time characteristics of the lack of oxygen.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及脑电与功能近红外光谱
，具体而言涉及一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法。
技术介绍
脑功能活动包括神经元活动和局部能量代谢等多个过程，复杂的功能活动使得大脑汇集了多个模态的信息，其中最为重要的是神经元的电活动和激活区域的血氧代谢变化，两者之间的关系称为神经血管耦合(NeurovascularCoupling)。该复杂的耦合过程需要神经元、星形胶质细胞和毛细血管之间的一系列活动。然而，目前在神经科学研究中采用血氧变化推测神经元活动的基础尚不明确，这在一定程度上影响了对神经元活动的判断。采用多模态脑功能成像融合技术研究神经血管耦合是近年来研究的热点之一。虽然功能磁共振(fMRI)的空间分辨率较高，可以与时间分辨率较高的脑电技术(EEG)结合形成优势互补，但由于它的磁场信号和EEG的电信号形成强烈的噪声干扰，此外fMRI对被试和环境有较为苛刻的要求，加上它的设备沉重、价格昂贵，一定程度上限制了EEG-fMRI融合技术的发展。而功能近红外光谱技术(fNIRS)是近年来发展起来的新技术，与fMRI相比，fNIRS不仅能够获取脱氧血红蛋白(HbR)的变化信息，而且还能获取含氧血红蛋白(HbO)以及总血红蛋白(HbT＝HbO+HbR)的变化信息。fNIRS的光信号和EEG的电信号几乎没有任何干扰，加上它和EEG设备的低成本、便携性、无创、操作方便，受到了很多研究者的青睐。将EEG和fNIRS技术相结合，实现对神经元的电活动和激活区的血氧代谢信息的同步提取，对开展同步性要求较高的神经血管耦合的研究，可提供积极的技术支持，从而为深入研究大脑神经元活动的机理提供重要的途径。这可以从功能区入手，建立血氧信号与神经元活动的对应关系；在此基础上，研究不同脑区之间耦合的差异性，对差异进行量化研究。然而，这方面的研究主要是基于EEG与fNIRS的幅值特征(激活强度)来展开的。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
为了克服传统神经血管耦合分析中，缺乏对神经元电活动与血氧响应时间特征研究的不足，本专利技术提供一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法。为了实现上述目的，提供以下技术方案：一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法，其特征在于，所述方法包括：采集脑电信号与脑血氧信号；从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号；提取所述事件诱发电位信号的时间特征；从所述脑血氧信号中提取血氧响应函数信号；提取所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征；分析所述事件诱发电位信号的时间特征对所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，得到耦合结果。进一步地，所述采集脑电信号与脑血氧信号具体包括：利用光电同步脑活动检测系统同步采集所述脑电信号与所述脑血氧信号。进一步地，从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号具体包括：对所述脑电信号滤波、去除眼电干扰成分、去趋势、数据分段、移除伪迹及叠加平均处理，得到所述事件诱发电位信号。进一步地，从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号还包括：降采样处理。进一步地，提取所述事件诱发电位信号的时间特征具体包括：利用模式反转视觉刺激的方法提取所述事件诱发电位信号的所述时间特征。进一步地，所述时间特征为延迟。进一步地，从所述脑血氧信号中提取血氧响应函数信号具体包括：对所述脑血氧信号进行浓度转换、滤波、数据分段、伪迹移除以及叠加平均处理，来提取所述血氧响应函数信号。进一步地，所述血氧响应函数信号的幅值特征为峰值幅度；所述血氧响应函数信号的时间特征为上升延迟时间、峰值时间、以及半峰宽。进一步地，分析所述事件诱发电位信号的时间特征对所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，得到耦合结果，具体包括：分析所述事件诱发电位信号单个成分的所述时间特征与所述血氧响应函数信号的峰值幅度之间的关系，并得到耦合关系；分析所述事件诱发电位信号单个成分的所述时间特征分别与所述血氧响应函数信号的上升延迟时间、峰值时间和半峰宽之间的关系，并得到耦合关系。本专利技术提供一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法。其中，该方法包括同步采集脑电信号与脑血氧信号；从脑电信号中提取事件诱发电位信号；提取事件诱发电位信号的时间特征；从脑血氧信号中提取血氧响应函数信号；提取血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征；分析事件诱发电位信号的时间特征对血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，得到耦合结果。本专利技术实施例利用事件诱发电位信号的时间特征对血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，从时间特征方面描述神经元电活动与血氧响应之间的关系，克服了传统的仅基于幅值角度分析二者关系的局限性，可以通过同步采集神经元电活动与激活脑区血氧代谢变化，辅助分析脑功能活动，可用于许多重大神经精神疾病的临床研究，其包括癫痫、儿童等特殊群体的临床研究。附图说明图1为根据本专利技术实施例的基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法的流程示意图；图2为根据本专利技术实施例的视觉模式反转实验对应的视觉诱发电位的示意图；图3为根据本专利技术实施例的血氧响应函数示意图；图4a为根据本专利技术实施例的视觉黑白棋盘格反转实验的实验范式(25秒棋盘格翻转刺激以及30秒恢复期)示意图；图4b为根据本专利技术实施例的视觉黑白棋盘格反转实验中近红外光极与脑电电极排布示意图；图5a为根据本专利技术实施例的不同对比度下的VEP波形示意图；图5b为根据本专利技术实施例的VEP延迟与对比度的关系示意图；图6a为根据本专利技术实施例的不同对比度下的HRF波形示意图；图6b为根据本专利技术实施例的HRF激活强度与对比度的关系示意图；图7为根据本专利技术实施例的神经血管耦合关系示意图；图8为根据本专利技术另一实施例的基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法的流程示意图。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。本专利技术实施例的基本思想是基于光电同步脑活动检测系统，通过脑电技术与功能近红外技术同步采集同一脑区神经元电活动以及血氧代谢变化，并利用光和电这两种模态数据，从时间特征的角度进行脑电与脑血氧双模态融合的神经血管耦合分析。这里，从时间特征方面描述神经元电活动与血氧响应之间的关系，即神经血管耦合关系。本专利技术实施例提供一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法，如图1所示，该方法包括：S100：采集脑电信号与脑血氧信号。为了保证信号同步性，本步骤可以在同一时刻采集脑电信号与脑血氧信号。在实际应用中，可以利用光电同步脑活动检测系统来同步采集脑电信号与脑血氧信号。通过光电同步脑活动检测系统对被试者进行脑电信号与脑血氧信号的多路同步采集，针对配置好的采集位置，在同一时刻采集所有配置通道的脑电信号与脑血氧信号，这样可以保证了配置通道间的信号同步性。S110：从脑电信号中提取事件诱发电位信号。具体地，本步骤可以对采集到的脑电信号(EEG)进行诸如滤波、降采样、去除眼电干扰成分、去趋势、数据分段、移除伪迹以及叠加平均等处理，来提取事件诱发电位信号(ERP)。优选地，滤波可以为带通滤波，以提取EEG信号的感兴趣波段，如：1-100Hz或提取EEG信号的节律成分，如Delt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法，其特征在于，所述方法包括：采集脑电信号与脑血氧信号；从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号；提取所述事件诱发电位信号的时间特征；从所述脑血氧信号中提取血氧响应函数信号；提取所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征；分析所述事件诱发电位信号的时间特征对所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，得到耦合结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于脑电与功能近红外光谱技术的神经血管耦合分析方法，其特征在于，所述方法包括：采集脑电信号与脑血氧信号；从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号；提取所述事件诱发电位信号的时间特征；从所述脑血氧信号中提取血氧响应函数信号；提取所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征；分析所述事件诱发电位信号的时间特征对所述血氧响应函数信号的幅值特征与时间特征的影响，得到耦合结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集脑电信号与脑血氧信号具体包括：利用光电同步脑活动检测系统同步采集所述脑电信号与所述脑血氧信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号具体包括：对所述脑电信号滤波、去除眼电干扰成分、去趋势、数据分段、移除伪迹及叠加平均处理，得到所述事件诱发电位信号。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述从所述脑电信号中提取事件诱发电位信号还包括：降采样处理。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取所述事件诱发电位信号的时间特征具体包...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋田仔，张鑫，左年明，司娟宁，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11