具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统。包括计算平台，实时检测定位大脑功能区、实时监测脑功能成像图像质量和检测并反馈大脑当前任务响应水平；计算平台设有目标大脑区域定位模块、数据质量监测模块、任务水平检测模块和反馈模块；设有数据采集及实时传输模块，原始功能磁共振图像经磁共振扫描仪采集重建后传输至计算平台；还设有任务更新模块，通过比较判断触发控制脑功能刺激仪呈现新的实验任务材料。本发明专利技术能提高对大脑特定区域活跃水平的统计判断的效率，缩短脑功能信号采集的总时间，对提高临床病人的脑功能活动扫描效率和功能区的快速定位有很好的实际意义，也可应用于与脑功能区检测相关的神经科学研究。

Brain function experiment task stimulus system with real time feedback and task update function

The invention discloses a brain function experiment task stimulation system with real-time feedback and task updating function. Including computing platform, real-time detection and localization of brain function area, real-time monitoring of brain imaging and image quality detection and feedback the brain task response level; computing platform with the target brain region locating module, data quality monitoring module, task level detection module and a feedback module; a real-time data acquisition and transmission module, calculate the original functional magnetic platform resonance image by magnetic resonance scanner reconstruction was transmitted to a task; update module is judged by comparing the trigger control brain stimulator presents experimental tasks of new materials. The invention can improve the efficiency of statistical judgment in certain areas of the brain active level, shorten the total time of brain function signal acquisition, has very good practical significance to improve the patient's clinical rapid positioning of brain activity scanning efficiency and function area, but also in neuroscience research on brain functional areas related to detection and application.

【技术实现步骤摘要】
具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统
本专利技术涉及一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统，具体是指通过采集并实时分析脑功能磁共振图像，实现当前的任务响应水平的实时检测，并依据当前大脑感兴趣区的活跃状况判断和反馈指导后续的实验任务材料变化，从而优化功能任务实验业务流程，缩短功能磁共振扫描的总时长。
技术介绍
功能磁共振成像(functionalMagneticResonanceImaging，fMRI)利用磁共振造影来测量神经元活化引发的血液动力学的改变，当大脑某一组织或功能区域的神经元被激活时，表现为该区域血流量的增加。fMRI凭借其对人体的无创性和优良的时空分辨率，被广泛地应用于认知神经科学领域，成为人们研究人类中枢神经系统作用机制的重要途径。但是，在绝大多数的fMRI研究中，实验结果需要在实验结束后花费数小时进行线下处理后得到。无法实时地检测被试的配合程度，导致出现个别无效的实验数据，造成资源的浪费。为此，Cox等人率先提出实时功能磁共振成像(real-timefunctionalMagneticResonanceImaging，rtfMRI)实现了在与采集速度比拟的时间里完成功能图像数据的处理(CoxRW,JesmanowiczA,HydeJS.Real-timefunctionalmagneticresonanceimaging[J].MagneticResonanceinMedicine,1995,33(2):230-236)。实时功能磁共振作为一种逐渐兴起的研究脑功能的手段，是在磁共振成像的基础上，采用实时获取图像数据并即时处理的方式，使得在扫描过程中监控数据质量和检测分析大脑功能信号成为可能。与传统的fMRI数据离线处理相比，功能图像的处理和分析在每个扫描脉冲的重复时间(repetitiontime，TR)间隔内完成，即可以在下一个TR数据采集结束前完成对上一个TR的图像数据的处理分析，从而以TR为周期更新大脑的活动情况。目前，针对实时功能磁共振反馈研究主要集中在对局部脑区的自主调控、对大脑特定功能网络连接强度的调节和对大脑模式状态解码的不同分析方法上。例如，Rota等人以所述的为反馈信号探究了利用rtfMRI提供的神经反馈信号来调控右侧额下回区域大脑的响应水平(RotaG,SitaramR,VeitR,etal.Self-regulationofregionalcorticalactivityusingreal-timefMRI:therightinferiorfrontalgyrusandlinguisticprocessing[J].HumanBrainMapping,2009,30(5):1605-1614)。但是，利用rtfMRI实时监测受试者任务响应水平并根据受试者大脑的活跃水平调控功能任务实验流程走向的刺激系统还鲜有讨论。因此，目前亟需一种能够改善功能磁共振实验业务流程的系统，从而可以根据当前实时监测受试者的任务响应水平，并根据受试者的任务情况决定后续将要呈现给受试者的刺激材料，灵活地调整多阶段功能任务扫描的时长，帮助缩短脑功能信号采集的总时间。这对提高临床病人的脑功能活动扫描效率和功能区的快速定位有很好的实际意义。
技术实现思路
为此，本专利技术提供了一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统。本专利技术不仅可以实时检测分析大脑的激活水平，并且可以依据当前大脑的激活情况反馈指导后续的任务实验的业务流程，改善功能任务实验中效率低下的问题。如图1所示，本专利技术采用的技术方案是包括以下模块：包括用于进行实验任务材料呈现的脑功能刺激仪和用于检测脑功能成像的磁共振扫描仪；还包括用于处理脑功能成像来获得当前任务响应水平数据的计算平台，脑功能刺激仪经计算平台和磁共振扫描仪连接，在实验任务材料呈现过程中计算平台进行实时检测定位大脑功能区、实时监测脑功能成像图像质量、检测大脑当前任务响应水平和反馈的处理；并且在脑功能刺激仪设有用于进行实验任务材料呈现无缝切换的任务更新模块，任务更新模块根据反馈获得的受试者任务响应水平来控制触发控制脑功能刺激仪呈现新的实验任务材料。通过计算平台中的各个模块和任务更新模块相配合控制脑功能刺激仪实现任务切换时的无缝衔接。本专利技术所述的用户为医生或者护士或者实验操作人员。所述的磁共振扫描仪内设有：数据采集及实时传输模块，用于磁共振扫描仪采集和传输任务实验时受试者的原始功能磁共振图像数据：数据采集及实时传输模块将磁共振扫描仪采集到的各个时刻的数据重建得到原始功能磁共振图像，并实时传输至计算平台；所述的计算平台内设有：目标大脑区域定位模块，用于根据标准数据库或功能定位扫描划定单个感兴趣区域或由多个区域联合组成的感兴趣网络，供任务水平检测模块根据感兴趣区域或者感兴趣网络提取脑功能成像信号；标准数据库是由经验知识搭建而成的数据库，是已知的数据库。数据质量监测模块，用于根据用户需求对原始功能磁共振图像数据进行预处理，并进行综合评估然后将综合评估结果可视化呈现；任务水平检测模块，用于实时检测分析预处理后的原始功能磁共振图像数据，计算当前大脑的任务响应水平。任务水平检测模块能体现用户定制化，用户根据自身实验研究的需求采用任务水平的不同计算方法来检测分析大脑的功能图像数据，例如：相关性分析方法、感兴趣区分析方法、机器学习模式识别等算法。目标大脑区域定位模块分别与数据采集及实时传输模块、任务水平检测模块连接，数据采集及实时传输模块经数据质量监测模块后与任务水平检测模块连接所述的脑功能刺激仪内设有：任务更新模块，将由计算平台检测获得的受试者任务响应水平或者由反馈模块直观呈现的受试者任务响应水平与预先设定的实验设计阈值进行比较，判断是否触发控制脑功能刺激仪呈现新的实验任务材料，从而实现实验任务材料呈现的无缝切换。所述的目标大脑区域定位模块，用于划定单个感兴趣区域或感兴趣网络，划分方法采用结构像定位或者功能像定位；结构像定位，采集受试者大脑结构像数据，依据先验知识划定目标脑区，然后将目标脑区配准到去除非脑组织的三维功能图像中，得到感兴趣区域或感兴趣网络；功能像定位，功能像定位用于研究特定的功能区活动，需先进行针对脑区对应的功能任务实验，并根据功能任务实验的设计范式对全脑做基于体素的激活检测分析采集，得到全脑的激活统计参数图，通过预先设定的阈值划分获得精细的单个感兴趣区域或感兴趣网络。所述的数据质量监测模块包括数据读取与转换单元、数据预处理单元和数据质量评估单元：数据读取与转换单元，实时读取磁共振扫描仪传输到计算平台的原始功能磁共振图像，再转换成可供后续处理的功能磁共振图像数据格式，包含扫描参数的头文件以及三维图像文件；数据预处理单元，根据用户输入的处理要求进行加工步骤以及增添或删减的预处理步骤，加工步骤是摒除与大脑信号本身不相关的干扰因素，如受试者不自主的头动引入的信号差异。预处理步骤包括对功能磁共振图像数据进行头动校正和空间平滑的两个步骤；头动校正将该次功能任务扫描第一个时刻的功能磁共振图像作为基准，根据刚体变换理论计算后续时刻的图像相较于基准的6个头动参数，分别为3个方向的平移参数和绕3个方向的旋转参数，以该参数并结合重采样算法进行实时地头动校正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统，包括用于进行实验任务材料呈现的脑功能刺激仪和用于检测脑功能成像的磁共振扫描仪，其特征在于：还包括用于处理脑功能成像来获得当前任务响应水平数据的计算平台，脑功能刺激仪经计算平台和磁共振扫描仪连接，在实验任务材料呈现过程中计算平台进行实时检测定位大脑功能区、实时监测脑功能成像图像质量、检测大脑当前任务响应水平和反馈的处理；并且在脑功能刺激仪设有用于进行实验任务材料呈现无缝切换的任务更新模块，任务更新模块根据反馈获得的受试者任务响应水平来控制触发控制脑功能刺激仪呈现新的实验任务材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统，包括用于进行实验任务材料呈现的脑功能刺激仪和用于检测脑功能成像的磁共振扫描仪，其特征在于：还包括用于处理脑功能成像来获得当前任务响应水平数据的计算平台，脑功能刺激仪经计算平台和磁共振扫描仪连接，在实验任务材料呈现过程中计算平台进行实时检测定位大脑功能区、实时监测脑功能成像图像质量、检测大脑当前任务响应水平和反馈的处理；并且在脑功能刺激仪设有用于进行实验任务材料呈现无缝切换的任务更新模块，任务更新模块根据反馈获得的受试者任务响应水平来控制触发控制脑功能刺激仪呈现新的实验任务材料。2.如权利要求1所述的一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统，其特征在于：所述的磁共振扫描仪内设有：数据采集及实时传输模块，用于磁共振扫描仪采集和传输任务实验时受试者的原始功能磁共振图像数据：数据采集及实时传输模块将磁共振扫描仪采集到的各个时刻的数据重建得到原始功能磁共振图像，并实时传输至计算平台；所述的计算平台内设有：目标大脑区域定位模块，用于根据标准数据库或功能定位扫描划定单个感兴趣区域或由多个区域联合组成的感兴趣网络，供任务水平检测模块根据感兴趣区域或者感兴趣网络提取脑功能成像信号；数据质量监测模块，用于根据用户需求对原始功能磁共振图像数据进行预处理，并进行综合评估然后将综合评估结果可视化呈现；任务水平检测模块，用于实时检测分析预处理后的原始功能磁共振图像数据，计算当前大脑的任务响应水平。所述的脑功能刺激仪内设有：任务更新模块，将由计算平台检测获得的受试者任务响应水平或者由反馈模块直观呈现的受试者任务响应水平与预先设定的实验设计阈值进行比较，判断是否触发控制脑功能刺激仪呈现新的实验任务材料，从而实现实验任务材料呈现的无缝切换。3.如权利要求1所述的一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统，其特征在于：所述的目标大脑区域定位模块，用于划定单个感兴趣区域或感兴趣网络，划分方法采用结构像定位或者功能像定位；结构像定位，采集受试者大脑结构像数据，依据先验知识划定目标脑区，然后将目标脑区配准到去除非脑组织的三维功能图像中，得到感兴趣区域或感兴趣网络；功能像定位，需先进行针对脑区对应的功能任务实验，并根据功能任务实验的设计范式对全脑做基于体素的激活检测分析采集，得到全脑的激活统计参数图，通过预先设定的阈值划分获得单个感兴趣区域或感兴趣网络。4.如权利要求1所述的一种具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统，其特征在于：所述的数据质量监测模块包括数据读取与转换单元、数据预处理单元和数据质量评估单元：数据读取与转换单元，实时读取磁共振扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：何宏建，韩璐，丁秋萍，窦权，钟健晖，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33