基于脑磁图制造技术

本发明专利技术公开了一种基于脑磁图

【技术实现步骤摘要】
基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像方法


[0001]本专利技术涉及多模态脑成像研究领域，具体涉及一种基于脑磁图
、
近红外脑成像的多模态同步脑成像方法
。

技术介绍

[0002]多模态神经影像汇集各单一模态的优势，根据不同模态信号特点从多角度描述大脑活动，如结合电生理和血液动力学信号研究神经血管耦合
。
多模态脑成像要求各模态需要互相兼容
、
互补，从而形成对基础科学研究和临床应用有效的多模态脑成像平台
。
多模态脑成像技术在脑科学研究和脑疾病临床实践中占据重要地位，多模态脑成像平台也是脑科学领域大科学装置中不可或缺的一部分
。
[0003]脑磁图
(MEG)
是非侵入性的大脑电生理测量技术，能够以毫秒级时间分辨率在头皮上测量大脑神经元电流产生的磁场或电场，从而直接记录大脑电生理活动
。
然而，传统的
MEG
的核心部分超导量子干涉装置
(SQUID)
需要在大型低温冷却系统中工作，这增加了
MEG
与其他神经成像模态结合的难度
。
近年来，快速发展的光泵磁强计
(OPM)
为
SQUID
‑
MEG
技术提供了一个非常有效的替代方案
。OPM
可以在室温环境无需低温冷却系统的情况下测量极弱的磁场，大幅降低设备采购和维护成本，并且可以实现更灵活的探测器阵列排布/>。
与
SQUID
‑
MEG
探测器相比，
OPM
‑
MEG
探测器可以放置在更靠近头皮的位置，通过减少与颅内皮质源的距离，显著提高信噪比
。
灵活的探测器排布方式提高了
OPM
‑
MEG
与其他成像模态的兼容性
。
具体而言，
OPM
探测器可以与其他模态传感器在帽子上交错排列或定制针对个体受试者头部形状和传感器排布需求的头盔
。
[0004]近红外脑成像
(fNIRS)
是一种非电离
、
安全
、
低成本
、
便携
、
可穿戴的氧合血液动力学神经影像技术
。
利用神经血管耦合效应，
fNIRS
通过测量大脑功能性血液动力学反应
(
如含氧血红蛋白
、
无氧血红蛋白浓度的变化
)
，间接反映大脑神经活动情况
。fNIRS
使用近红外光照射头皮，将探测器放置在距光源几厘米处，检测头皮出射光强变化，并根据不同的模型计算大脑血红蛋白浓度
。
目前，
MEG
已与
fNIRS
结合，研究神经血管耦合效应，如运动诱发神经血管耦合
、
神经血管耦合的习惯效应，推动神经血管耦合效应的生理学研究
(
如在睡眠
、
正常衰老领域
)
和病理学研究
(
如在阿尔茨海默病
、
高血压和中风领域
)。
[0005]综上所述，结合脑磁图
、
近红外脑成像的多模态脑成像技术，可以同步记录大脑电生理和血流动力学变化，拓宽脑科学和脑疾病的研究方向和应用场景
。
然而，到目前为止，尚无能够实现
OPM
‑
MEG
和
fNIRS
同步采集的多模态脑成像系统
。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提供了一种一种基于脑磁图
、
近红外脑成像的多模态同步脑成像方法，可以实现同步记录大脑的电生理
、
血液动力学活动，对研究神经血管耦合与代谢活动有着积极作用
。
[0007]本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于脑磁图
、
近红外脑成像的多模态同步脑成像方法，所述方法包括：
[0009]对测试对象施加一测试任务，并同步采集基于所述测试任务产生的大脑活动信号；其中，所述测试对象包括：健康受试者和患病的受试者，所述测试任务包括：由诱发脑神经活动的视觉任务
、
听觉任务和
/
或体感任务，所述大脑活动信号包括：多通道脑磁信号和多通道近红外成像信号；
[0010]基于所述多通道脑磁信号，构建包括皮层灰质在内的头模型，并在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵；其中，所述脑磁图传感器用于采集测试对象的多通道脑磁信号；
[0011]结合所述测试任务计算脑磁图的事件相关磁场，并根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度；
[0012]根据所述多通道近红外成像信号和所述测试任务的设计，获取事件相关血氧变化，并将所述事件相关血氧变化投影到所述头模型的皮层灰质上，以得到氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵；
[0013]基于所述皮层灰质神经活动强度
、
所述氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，计算神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度；
[0014]使用所述皮层灰质神经活动强度绘制大脑神经活动成像图，使用氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵绘制大脑血氧活动成像图，使用神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度绘制大脑神经血管耦合系数图
。
[0015]进一步地，在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵，包括：
[0016]对测试对象的头模型进行离散网格化；
[0017]使用有限元仿真方法计算每个皮层灰质的网格点产生偶极子磁场后，将所述偶极子磁场传递到脑磁图传感器阵列处磁场；
[0018]将脑磁图传感器阵列处磁场大小除以对应网格点产生的所述偶极子磁场，得到该处皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量；
[0019]基于所有皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量，构成传递矩阵；其中，所述传递矩阵的行代表某个皮层灰质网格神经活动产生磁场的传递向量，所述传递矩阵的列代表不同的皮层灰质网格
。
[0020]进一步地，根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度，包括：
[0021]采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图
、
近红外脑成像，并根据同步空采的光泵磁强计脑磁图，计算脑磁图传感器的噪声协方差矩阵
N
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于脑磁图
、
近红外脑成像的多模态同步脑成像方法，其特征在于，所述方法包括：对测试对象施加一测试任务，并同步采集基于所述测试任务产生的大脑活动信号；其中，所述测试对象包括：健康受试者和患病的受试者，所述测试任务包括：由诱发脑神经活动的视觉任务
、
听觉任务和
/
或体感任务，所述大脑活动信号包括：多通道脑磁信号和多通道近红外成像信号；基于所述多通道脑磁信号，构建包括皮层灰质在内的头模型，并在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵；其中，所述脑磁图传感器用于采集测试对象的多通道脑磁信号；结合所述测试任务计算脑磁图的事件相关磁场，并根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度；根据所述多通道近红外成像信号和所述测试任务的设计，获取事件相关血氧变化，并将所述事件相关血氧变化投影到所述头模型的皮层灰质上，以得到氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵；基于所述皮层灰质神经活动强度
、
所述氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，计算神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度；使用所述皮层灰质神经活动强度绘制大脑神经活动成像图，使用氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵绘制大脑血氧活动成像图，使用神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度绘制大脑神经血管耦合系数图
。2.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵，包括：对测试对象的头模型进行离散网格化；使用有限元仿真方法计算每个皮层灰质的网格点产生偶极子磁场后，将所述偶极子磁场传递到脑磁图传感器阵列处磁场；将脑磁图传感器阵列处磁场大小除以对应网格点产生的所述偶极子磁场，得到该处皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量；基于所有皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量，构成传递矩阵；其中，所述传递矩阵的行代表某个皮层灰质网格神经活动产生磁场的传递向量，所述传递矩阵的列代表不同的皮层灰质网格
。3.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度，包括：采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图
、
近红外脑成像，并根据同步空采的光泵磁强计脑磁图，计算脑磁图传感器的噪声协方差矩阵
N
MEG
；结合所述事件相关磁场
、
所述传递矩阵和所述噪声协方差矩阵
N
MEG
，使用最小范数估计方法进行脑磁图溯源，以得到皮层灰质神经活动强度
。4.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述皮层灰质神经活动强度
、
所述氧合
血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，计算氧合血红蛋白的耦合强度和脱氧血红蛋白的耦合强度，包括：采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图
、
近红外脑成像，并根据同步空采近红外脑成像，计算近红外脑成像的氧合血红蛋白的噪声协方差矩阵
N
HbO
和脱氧血红蛋白的噪声协方差矩阵
N
HbT
；通过皮层灰质神经活动强度
、
氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，使用最小范数估计获取氧合血红蛋白的耦合强度
C
HbO
和脱氧血红蛋白的耦合强度
C
HbR
；其中，所述最小范数的表达公式为
M
＝
C
HbO
(N
HbO
‑
σ1N
HbO
)
T
和
M
＝
C
HbR
(H
HbR
‑
σ2H
HbR
)
T
，
M
表示皮层灰质神经活动强度，
H
HbO
表示氧合血红蛋白的活动矩阵，
H
HbR
表示脱氧血红蛋白的活动矩阵，
σ1表示第一权重系数，
σ2表示第二权重系数
。5.
如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述同步采集基于所述测试任务产生的大脑活动信号的同时，还同步采集基于所述测试任务产生的人体电生理信号，所述人体电生理信号包括：眼动信号
、
心电信号和探头附件肌电信号
。6.
如权利要求5所述的方法，其特征在于，结合所述测试任务计算脑磁图的事件相关磁场，并根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度，还包括：对所述多通道脑磁信号进行信号空间分离，以去除脑神经活动之外的环境干扰信号；和，时域上去除所述多通道脑磁信号工频的带阻滤波；和，去除所述多通道脑磁信号中与所述眼动信号
、
所述心电信号和探头附件肌电信号相关的成分；和，去除所述多通道近红外成像信号中由于头动校正
、
呼吸伪影和心跳伪影带来的噪声
。7.<...

【专利技术属性】
技术研发人员：高家红，茹星语，吕柄江，何剀彦，
申请(专利权)人：北京昌平实验室，
类型：发明
国别省市：