一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法及系统技术方案

一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法和系统。该方法包括：1)采集参与者在特定训练任务过程中的脑血氧信号；2)将所采集的脑血氧信号进行预处理，以去除原始信号中的运动伪影和异常信号并进行基线校正；3)从预处理后的脑血氧信号提取大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并将其反馈给参与者；4)根据接收到的视觉反馈信息而进行自我调节，再次采集参与者的脑血氧信号，并且将所采集的脑血氧信号输入到自适应反馈模块，自适应反馈模块对脑血氧信号进行处理，提取大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并与步骤3)中的神经活动强度指标对比，相应给出奖励反馈和惩罚反馈，实现自适应反馈调节神经活动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法及系统
本专利技术属于康复辅具领域，针对脑神经损伤而导致运动功能障碍人群，具体的涉及一种自适应神经反馈方法及系统。
技术介绍
神经反馈是生物反馈的一种形式，通过实时向参与者以视觉，听觉或其他形式呈现所测量的神经活动，干预与行为相关的神经活动，以促进基于特定行为或病理的神经活动自我调节，进而恢复或增强相关功能。将脑电设备(EEG)采集的神经活动信号作为反馈信息已广泛用于各种研究和临床应用。在基于脑电技术的神经反馈系统中，参与者成功地根据反馈信号自我调节脑电节律波。(MusallS,VonPV,RauchA,etal.EffectsofneuralsynchronyonsurfaceEEG.CerebralCortex,2014,24(4):1045-1053.)以功能磁共振技术(fMRI)为基础的神经反馈，感兴趣皮层区域(ROIs)的神经活动被用作反馈信息以自主调节参与者的行为活动。(Sherwood,M.S.etal.Enhancedcontrolofdorsolateralprefrontalcortexneurophysiologywithreal-timefunctionalmagneticresonanceimaging(rt-fMRI)neurofeedbacktrainingandworkingmemorypractice.Neuroimage124,214–223(2016).)中国专利CN102319067A涉及一种基于脑电信号的神经反馈训练仪，可将表征记忆力水平的脑电节律波呈现给用户，指导用户自主调节脑电节律波，达到改善记忆力水平的目的。中国专利CN101912255A涉及一种基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，通过功能磁共振在线检测大脑的激活状态，并实时反馈给受训练者,通过反复训练调控大脑的认知活动水平，提高或恢复受训者相应的认知功能。中国专利CN103040446A提供了一种基于光学脑成像的神经反馈训练系统和神经反馈训练方法，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神经活动强度指标作为反馈信息呈现给受训者，以使其特定功能系统的神经活动得到训练。现有的神经反馈系统大多基于脑电信号和功能磁共振信号，而脑电方法空间分辨率较低，神经活动功能区域靶向性差；功能磁共振方法时间分辨率较低，不适合实时在线反馈，而且价格昂贵，舒适性差。现有神经反馈系统的反馈信号一般为大脑激活信息的反馈，有研究表明，脑功能连接作为反馈信号比大脑激活信息作为反馈信号能够达到更好的效果。(Kim,D.Y.etal.TheinclusionoffunctionalconnectivityinformationintofMRI-basedneurofeedbackimprovesitsefficacyinthereductionofcigarettecravings.J.Cogn.Neurosci.27,1552–1572(2015).)神经反馈是一种心理生理学过程，其以自我调节为目的，神经活动的在线实时反馈被提供给参与者。学习控制特定的神经活动已被证明可以改变特定的行为。(SitaramR,RosT,StoeckelL,etal.Closed-loopbraintraining:thescienceofneurofeedback.NatureReviewsNeuroscience,2016,18(2):86.)神经反馈为研究脑功能和神经可塑性提供了新的途径。神经反馈干预下患者主动参与自我调节神经活动的重复性康复训练对于患者神经系统重建和运动功能恢复更加有效。因此，提供一种基于近红外光谱技术的多模式自适应脑神经反馈方法及系统，使患者更好地主动参与到康复训练中，达到更好的康复效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法及系统。该自适应神经反馈系统可实现自适应的脑区激活反馈、功能连接反馈以及效应连接反馈，使患者自主调节大脑神经活动，以达到更好的康复训练效果。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案。本专利技术的第一专利技术提供了一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法，该方法包括以下步骤：1)利用近红外光谱检测设备采集参与者在特定训练任务过程中的脑血氧信号；2)将所采集的脑血氧信号输入到实时数据预处理模块，该实时数据预处理模块对脑血氧信号的原始数据进行预处理，以去除原始信号中的运动伪影和异常信号并进行基线校正；3)将预处理后的脑血氧信号输入到神经反馈模块，该神经反馈模块从脑血氧信号中提取出大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并且将神经活动强度指标作为反馈信息以视觉形式反馈给参与者；4)参与者根据接收到的视觉反馈信息而进行自我调节并继续进行训练任务，再次利用所述近红外光谱检测设备采集参与者的脑血氧信号，并且将所采集的脑血氧信号输入到自适应反馈模块，该自适应反馈模块对脑血氧信号进行处理，提取大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并与步骤3)中的神经活动强度指标对比，其中，自适应反馈模块通过比较神经反馈干预前后参与者的神经活动强度指标，相应给出奖励反馈和惩罚反馈，实现自适应反馈调节神经活动。根据第一方面，当在步骤4)中所提取的神经活动强度指标优于在步骤3)中所提取的神经活动强度指标时，自适应反馈模块给予参与者奖励性正反馈信息，反之，自适应反馈模块给予参与者惩罚性负反馈信息，以使参与者根据自适应反馈信息自我调节训练策略直至训练任务结束根据第一方面，实时数据预处理模块包括滑动平均子模块，样条插值子模块和巴特沃斯滤波子模块；其中，滑动平均子模块利用滑动平均窗口平均化异常数据，去除脑血氧信号中的噪声从而提高信噪比；样条插值子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；巴特沃斯滤波子模块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。根据第一发面，在步骤3)中，通过神经反馈模块动态地提取特定功能区域的脑神经活动强度指标；所述神经活动强度指标包括脑区激活程度，脑功能连接强度以及脑效应连接参数。具体地，脑区激活程度由氧合血红蛋白浓度变化表征，脑功能连接强度由小波相位相干值表征，以及脑效应连接参数通过动态贝叶斯推论方法得到。本专利技术的第二方面提供了一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈系统，其特征在于，包括近红外光谱检测设备、实时数据预处理模块、神经反馈模块、自适应反馈模块和显示设备，近红外光谱采集设备用于实时地采集参与者大脑的脑血氧信号，实时数据预处理模块用于对所采集的脑血氧信号进行预处理，神经反馈模块用于从预处理后的脑血氧信号提取神经活动强度指标，显示设备用于将所述神经活动强度指标反馈给参与者，自适应反馈模块用于对接收反馈信息之后参与者的神经活动强度指标与接收反馈信息之前的神经活动强度指标进行对比，根据评判结果进行奖惩。根据第二方面，所述近红外光谱检测设备具有布置在需探测的脑区的近红外光源探头及近红外光吸收探头，用于采集各脑区脑氧信号；显示设备显示神经反馈模块的视觉反馈信息以及自适应反馈模块的视觉反馈信息。根据第二方面，所述实时数据预处理模块，包括滑动平均子模块，样条插值子模块和巴特沃斯滤波子模块；其中，滑动平均子模块利用滑动平均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法，该方法包括以下步骤：1)利用近红外光谱检测设备采集参与者在特定训练任务过程中的脑血氧信号；2)将所采集的脑血氧信号输入到实时数据预处理模块，该实时数据预处理模块对脑血氧信号的原始数据进行预处理，以去除原始信号中的运动伪影和异常信号并进行基线校正；3)将预处理后的脑血氧信号输入到神经反馈模块，该神经反馈模块从脑血氧信号中提取出大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并且将神经活动强度指标作为反馈信息以视觉形式反馈给参与者；4)参与者根据接收到的视觉反馈信息而进行自我调节并继续进行训练任务，再次利用所述近红外光谱检测设备采集参与者的脑血氧信号，并且将所采集的脑血氧信号输入到自适应反馈模块，该自适应反馈模块对脑血氧信号进行处理，提取大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并与步骤3)中的神经活动强度指标对比，其中，自适应反馈模块通过比较神经反馈干预前后参与者的神经活动强度指标，相应给出奖励反馈和惩罚反馈，实现自适应反馈调节神经活动。

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光谱技术的自适应脑神经反馈方法，该方法包括以下步骤：1)利用近红外光谱检测设备采集参与者在特定训练任务过程中的脑血氧信号；2)将所采集的脑血氧信号输入到实时数据预处理模块，该实时数据预处理模块对脑血氧信号的原始数据进行预处理，以去除原始信号中的运动伪影和异常信号并进行基线校正；3)将预处理后的脑血氧信号输入到神经反馈模块，该神经反馈模块从脑血氧信号中提取出大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并且将神经活动强度指标作为反馈信息以视觉形式反馈给参与者；4)参与者根据接收到的视觉反馈信息而进行自我调节并继续进行训练任务，再次利用所述近红外光谱检测设备采集参与者的脑血氧信号，并且将所采集的脑血氧信号输入到自适应反馈模块，该自适应反馈模块对脑血氧信号进行处理，提取大脑特定功能区域的神经活动强度指标，并与步骤3)中的神经活动强度指标对比，其中，自适应反馈模块通过比较神经反馈干预前后参与者的神经活动强度指标，相应给出奖励反馈和惩罚反馈，实现自适应反馈调节神经活动。2.如权利要求1所述的基于近红外光谱技术的自适应神经反馈方法，其特征在于，当在步骤4)中所提取的神经活动强度指标优于在步骤3)中所提取的神经活动强度指标时，自适应反馈模块给予参与者奖励性正反馈信息，反之，自适应反馈模块给予参与者惩罚性负反馈信息，以使参与者根据自适应反馈信息自我调节训练策略直至训练任务结束。3.如权利要求1所述的基于近红外光谱技术的自适应神经反馈方法，其特征在于，实时数据预处理模块包括滑动平均子模块，样条插值子模块和巴特沃斯滤波子模块；其中，滑动平均子模块利用滑动平均窗口平均化异常数据，去除脑血氧信号中的噪声从而提高信噪比；样条插值子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；巴特沃斯滤波子模块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。4.如权利要求1所述的基于近红外光谱技术的自适应神经反馈方法，其特征在于，在步骤3)中，通过神经反馈模块动态地提取特定功能区域的脑神经活动强度指标；所述神经活动强度指标包括脑区激活程度，脑功能连接强度以及脑效应连接参数。5.如权利要求4所述的基于近红外光谱技术的自适应神经反馈方法，其特征在于，脑区激活程度由氧合血红蛋白浓度变化表征，脑功能连接强度由小波相位相干值表征，以及脑效应连接参数通过动态贝叶斯推论方法得到。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：李增勇，路宽，徐功铖，陈伟，吕泽平，樊瑜波，
申请(专利权)人：国家康复辅具研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11