基于近红外光谱的脑功能连接检测方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于近红外光谱的脑功能连接检测方法及系统，利用近红外光谱采集时间序列函数的血氧参数，将函数导入小波相干和小波相位相干分析软件进行时频域转换，同时算出不同特征频率的脑氧参数小波相干系数和小波相位相干系数，然后输入到基于偏最小二乘法建立的脑功能连接检测模型，对测试者的脑功能连接特性给出检测结果。本发明同时监测左右前额叶脑血氧信号，方法简单方便。监测时只需将光电传感器置于实验者左右前额叶部位，即可通过近红外光谱法实时监测到实验者脑氧参数，抗干扰性强。监测指标灵敏度及可靠性高。

权利要求

1.一种基于近红外光谱的脑功能连接检测方法，其特征是，包括：

1)将近红外光谱血氧仪放在不同人群，把光源发射及吸收传感器分别放置于左、右脑前额叶部位，并发射红外光照射至左、右脑前额叶，通过近红外光谱血氧仪的脑氧信号采集模块同时采集15分钟左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号；

2)将步骤1)采集的左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号输送至脑氧信号小波相干、小波相位相干处理模块中，利用小波相干方法对左右前额叶氧合血红蛋白脉动信号进行时频分析；在低频范围，即频率为0.021-2Hz内，可分为四个特征频率区间，不同的特征频率区间，表明相应的调节机制；每个特征频率区间的小波相干系数，表明其氧合血红蛋白脉动信号的一致性；提取不同特征频率区间的小波相干系数；

3)利用小波相位相干方法对左、右前额叶氧合血红蛋白脉动信号进行相位分析；在低频范围，即频率为0.021-2Hz内，可分为四个特征频率区间，不同的特征频率区间，表明相应的调节机制；每个特征频率区间的小波相位相干系数，表明左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号的相位一致性；提取不同特征频率区间的小波相位相干系数；

4)利用不同特征频率区间的小波相干系数和小波相位相干系数作为功能连接的检测指标建立数据库，再通过脑功能连接检测模块建立偏最小二乘法校正模型，采用残差平方和确定建立模型所使用的主成分数目，残差平方和值越小，说明模型的预测能力越好；

5)基于步骤4)所建立的偏最小二乘法校正模型，将待检测样本重复步骤1)-3)的信息对脑功能连接检测。

2.如权利要求1所述的基于近红外光谱的脑功能连接检测方法，其特征是，所述利用小波相干方法和小波相位相干方法分析后，脑功能连接检测指标为频率在0.052-0.145Hz间的小波相干系数和小波相位相干系数。

3.一种基于近红外光谱的脑功能连接检测系统，其特征是，包括：

光源发射及吸收传感器，用于放置于人体左、右脑前额叶部位，光源发射光线，吸收传感器为两个；光源与两个吸收传感器之间距离分别是R1为30mm,R2为40mm；脑氧信号采集模块，用于采集左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号；脑氧信号小波相干、小波相位相干处理模块，用于对脑氧信号采集模块采集左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号进行小波相干、小波相位相干处理，得到不同特征频率段的小波相干系数和小波相位相干系数；

脑功能连接检测模块，利用不同特征频率段的小波相干系数和小波相位相干系数作为功能连接的检测指标，建立偏最小二乘法校正模型，对脑功能连接检测。

说明书

基于近红外光谱的脑功能连接检测方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于近红外光谱的脑功能连接检测方法及系统。

背景技术

[0002] 目前，脑功能连接性紊乱是影响人们健康生活质量的重要原因之一，尤其脑前额叶功能连接在人们认知、姿势平衡方面有重要作用。通过对脑功能连接采用简单无创方法进行检测，可以早期监测脑功能，预防脑功能障碍。

[0003] 目前研究脑功能的无创方法主要包括功能核磁共振(fMRI)、正电子发射层析成像(PET)、脑电图(EEG)、事件相关电位(ERP)和脑磁图(MEG)和近红外光谱方法(NIRS)。由于近红外光的深度穿透能力，且反映脑组织代谢和血液动力学的氧合血红蛋白(HbO2)是近红外光波段内的主要吸收体，经过不同算法表示出脑血氧含量特性，从而实现脑功能的评估或疾病的诊断。专利号CN1891144AA提出了一种基于脑血管血液动力学监测参数信息的脑中风预警检测仪，该方法检测方法复杂，设备价格昂贵；专利号CN101449968B提出了一种实现近红外脑功能检测仪测量同步的装置，该装置可以与其他仪器同步进行多模式测量，但并未直接针对脑血氧含量进行处理分析。专利号CN103156620A提出了一种基于相敏检波技术的多通道脑功能近红外光谱成像系统，该系统可对脑功能进行影像学分析，但分析过程复杂，配套设备较多。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于近红外光谱的脑功能连接检测方法及系统，其检测过程方便易操作，利用分析模块直接处理脑血氧数据。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0006] 一种基于近红外光谱的脑功能连接检测方法，包括：

[0007] 1)将近红外光谱血氧仪放在不同人群，把光源发射及吸收传感器分别放置于左、右脑前额叶部位，并发射红外光照射至左、右脑前额叶，通过近红外光谱血氧仪的脑氧信号采集模块同时采集15分钟左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号；

[0008] 2)将步骤1)采集的左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号输送至脑氧信号小波相干、小波相位相干处理模块中，利用小波相干方法(WCO)对左右前额叶氧合血红蛋白脉动信号进行时频分析；在低频范围，即频率为0.021-2Hz内，可分为四个特征频率区间，不同的特征频率区间，表明相应的调节机制。每个特征频率间的小波相干系数，表明其氧合血红蛋白信号的一致性；提取不同特征频率段的小波相干系数；

[0009] 利用小波相干方法(WCO)进行时频分析后，在频率为0.052-0.145Hz间,不同人群左、右脑前额叶氧合血红蛋白参数的小波相干系数存在显著差异，由此初步确定脑功能连接的检测指标；

[0010] 3)利用小波相位相干方法(WPCO)对左、右前额叶氧合血红蛋白脉动信号进行相位分析；在低频范围，即频率为0.021-2Hz内，可分为四个特征频率区间，不同的特征频率区间，表明相应的调节机制。每个特征频率间的小波相位相干系数，表明其氧合血红蛋白信号的相位一致性；提取不同特征频率段的小波相位相干系数；

[0011] 利用小波相位相干方法(WPCO)进行相位分析后，在频率为0.052-0.145Hz间,不同人群左右脑前额叶氧合血红蛋白参数的相位相干系数存在显著差异，结合小波相干方法(WCO),进一步确定脑功能连接的检测指标；

[0012] 4)利用不同特征频率段的小波相干系数和小波相位相干系数作为功能连接的检测指标建立数据库，再通过脑功能连接检测模块建立偏最小二乘法(PLS)校正模型，[0013] 5)基于步骤4)所建立的偏最小二乘法校正模型，将待检测样本重复步骤1)-3)的到的信息对脑功能连接检测。

[0014] 建立偏最小二乘法(PLS)校正模型，采用残差平方和(PRESS)确定建立模型所使用的主成分数目；PRESS计算方法：使用一定数目的主成分建立一个模型，然后用这个模型对参加检测的每个样本进行计算，求出每个样本的预测值和已知值的差，PRESS的计算公式为：

[0015]

[0016] 式中，n—校正集中样本数目，d—建立模型使用主成分数目，yp，ij—样本的预测值，yij—样本的已知值；PRESS值越小，说明模型的预测能力越好。

[0017] 通常使用PRESS值对主成分数目作图的方法帮助确立最佳主成分数目；在数据处理系统中完成小波相干方法(WCO)和小波相位相干方法(WPCO)分析处理后，建立PLS校正模型，并通过标准样本对其稳定性进行验证，即可完成校正模型的建立。检测实验对象时，只需同时采集其左右前额脑组织血氧近红外光谱信息，经小波相干方法(WCO)和小波相位相干方法(WPCO)分析并提取出相应频率的脑氧参数时频域特征后，输入到脑功能连接检测模块，代人到PLS校正模型中，即可自动计算出脑功能连接检测结果，结果显示在液晶显示屏上，并可记录测试日期和时间，数据保存仪器存储器中，还可将数据传送到计算机中打印输出。

[0018] 一种基于近红外光谱的脑功能连接检测系统，包括：

[0019] 光源发射及吸收传感器，用于放置于人体左、右脑前额叶部位，光源发射光线，吸收传感器为两个，分别由波长为760nm或850nm以及双检测脑氧参数器构成；光源与两个吸收传感器之间距离分别是R1为30mm,R2为40mm；

[0020] 脑氧信号采集模块，用于采集左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号；

[0021] 脑氧信号小波相干、小波相位相干处理模块，用于对脑氧信号采集模块采集左、右脑前额叶氧合血红蛋白脉动信号进行小波相干、小波相位相干处理，得到不同特征频率段的小波相干系数和小波相位相干系数；

[0022] 脑功能连接检测模块，利用不同特征频率段的小波相干系数和小波相位相干系数作为功能连接的检测指标，建立偏最小二乘法校正模型，对脑功能连接进行检测。

[0023] 本发明与公开号CN1891144AA、CN101449968B、CN103156620A的区别在于：本发明是同时监测左右脑前额叶脑氧脉动信息，同时利用小波相干方法(WCO)、小波相位相干方法(WPCO)对两侧脑血氧脉动信号进行处理。检测过程方便易操作，利用分析模块直接处理脑血氧数据。不同人群左右前额叶脑血氧信号相干性在某特征频率有显著性差别，由此建立脑区域功能连接的检测方法。

[0024] 本发明的有益效果是：

[0025] 1)同时监测左右前额叶脑血氧信号方法简单方便。监测时只需将光电传感器置于实验者左右前额叶部位，即可通过近红外光谱法实时监测到实验者脑氧参数，抗干扰性强。

[0026] 2)监测指标灵敏度及可靠性高。前期研究证实，在静息态中，脑血氧脉动存在低频(0.005－2Hz)自发性节律脉动。利用小波相干方法(WCO)和小波相位相干方法(WPCO)提取的不同特征频率血氧相干性信号,其中脑血氧自发性脉动在0.052-0.145Hz区间内，为血管内平滑肌细胞自发性肌原性活动。脑功能连接的重要特征之一，即左右脑各区域血管内参数是否一致。该发明就是通过小波相干方法(WCO)和小波相位相干方法(WPCO)分析左右脑前额叶血氧参量自发节律脉动信息的相干性，为脑功能各区域连接提供一种简单无创的检测方法。

附图说明

[0027] 图1脑功能连接检测结构示意图；

[0028] 图2建模与预测过程示意图；

[0029] 图3a双波长、双检测器解算组织血氧示意图；

[0030] 图3b检测左右前额叶氧合血红蛋白信号位置示意图；

[0031] 图4a小波相干方法(WCO)分析后，脑功能连接较好人群左右前额叶脑氧自发性节律脉动相干性示意图；

[0032] 图4b小波相干方法(WCO)分析后，脑功能连接较差人群左右前额叶脑氧自发性节律脉动相干性示意图；

[0033] 图5a小波相位相干方法(WPCO)分析后，脑功能连接较好人群左右前额叶脑氧自发性节律脉动相位相干性示意图；

[0034] 图5b小波相位相干方法(WPCO)分析后，脑功能连接较差人群左右前额叶脑氧自发性节律脉动相位相干性示意图；

[0035] 其中1－神经性活动；2－肌原性活动；3－呼吸性活动；4-心率活动。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0037] 本发明通过利用近红外光谱采集不同人群的左右脑前额叶脑氧含量，对光谱进行小波相干方法(WCO)和小波相位相干方法(WPCO)分析处理，建立PLS校正模型。当检测待测人群时，只需采集被测试人员的左右前额叶脑氧信号，进行WCO和WPCO处理，代入建立的PLS模型，即可自动算出脑功能连接检测指标。

[0038] 如图1所示，将两个光电传感器分别置于大脑左右前额区域，使用脑血氧仪检测脑组织血氧参数。脑血氧参数包括氧合血红蛋白(HbO2)浓度、还原血红蛋白(Hb)浓度及局部血氧饱和度(rSO2)(以毫摩尔/升为单位)。

[0039] 见图1，将血氧仪检测到的脑氧参数传输到利用小波相干方法(WCO)和小波相位相干方法(WPCO)提取血氧信号特征频率的模块。该模块对血氧参数利进行WCO和WPCO分析处理，提取出相应频率的脑氧参数的小波相干系数和小波相位相干系数(图4)。

[0040] 小波分析是一种变换时间序列的方法,该方法可以完成函数从时域到频域的转换。其方法为：

[0041]

[0042] 其中W(s,t)是小波系数，Ψ是Morlet母小波，尺度因子s由时间t转换而来。Morlet母小波函数是由一个复杂的正弦曲线与基本频率ω0经过高斯函数调制的：

[0043]

[0044] 其中 连续小波变换是函数g(u)在时频平面上的一种映射。小波分析尺度的不同可以检测到不同频率的振荡,并且小波变换也可以监测光谱随着时间的进化。小波分析中，尺度和频率的变换取决于特征频率的选择。一个近似小波尺度和转换频率之间的关系,假定频率,fs,被计算为：

[0045]

[0046] 其中fc为中心频率，δt为采样周期。ω0的选择是一个在时间和频率之间的妥协。在检测频率中，采集的信号必须是经过这个频率的一个周期时间内观察到的，在本方法中选取ω0＝5，在采样时间内，可以监测到6至7个周期。小波分析提取的特定频率范围是0.021-2Hz。上限选择的2Hz包括心跳频率，下限选择0.021Hz，包括可能的调节机制的组织氧合的信号。

[0047] 小波相干分析(WCO)的目的是确定小波交叉谱在时频域中的一致性，为得到在频率f下小波变换的两个复数形式的振动时间序列w1,2(t),使用：

[0048]

[0049] 其中k＝1,2表示将要计算相干性的两个函数，f、tn表示相应频率和时间，n的范围是从1到n，n的最大值是时间t与采样频率 的乘积；同时Wk(f，tn)为原始时间序列函数经上文中小波变换后，在频率f、时刻tn得到的函数；φk是Wk(f，tn)在频率f、时刻tn的相位角信息。最终得到其变换后的复数序列wk(tn)。

[0050] 在这个频率的小波能量Pk为：

[0051]

[0052] 其中 是wk(tn)的共轭函数，两个复杂的振荡时间序列的一致性决定了w1,2(t)内部的相互关系；N为该段时间内血氧仪采集信号的总数，即时间t与采样频率 的乘积，小波相干方法定义如下:

[0053]

[0054] 通过计算，当小波相干系数为1时，表示两个时间序列函数，在时间ti和尺度s上都有很好的线性关系。小波相干系数为0时，两时间序列函数相关性消失。小波相干系数高于0.5时，通常显示在这个频率内有显著的线性关系。

[0055] 同时，小波相位相干方法(WPCO)可以用来研究不同的信号间的振动关系。WPCO用来评价两种信号的瞬时相位间的匹配，左右前额叶脑氧信号在某一时刻、某一频率瞬时相位分别为 和 相对相位差可由 相位相干方法定义为：

[0056]

[0057] 相位相干系数在0和1之间，该系数量化两个信号间的相位差趋势在一个特定的频率保持不变。当两个振动信号不相关时,他们的相位差会随时间不断变化，相位相干系数趋近于0。再利用振幅校正傅里叶变换(AAFT)生成100个与原始时间序列具有同样均值,方差的替代信号序列，当原始信号大于两个标准差以上的替代信号时，认为具有显著意义。

[0058] 在得到测试人员的小波相干系数和小波相位相干系数后，将所测系数输入到脑功能连接检测模块。该模块是基于偏最小二乘法建立的模型。使用PLS方法建立模型，采用残差平方和(PRESS)确定建立模型所使用的主成分数目。PRESS计算方法：使用一定数目的主成分建立一个模型，然后用这个模型对参加检测的每个样本进行计算，求出每个样本的预测值和已知值的差，PRESS的计算公式为：

[0059]

[0060] 式中，n—校正集中样本数目，d—建立模型使用主成分数目，yp，ij—样本的预测值，yij—样本的已知值。PRESS值越小，说明模型的预测能力越好。通常使用PRESS值对主成分数目作图的方法帮助确立最佳主成分数目。在数据处理系统中完成小波相干和小波相位相干分析处理后，建立PLS校正模型，并通过标准样本对其稳定性进行验证，即可完成校正模型的建立。检测实验对象时，只需同时采集其左右前额脑组织血氧近红外光谱信息，经小波相干方法和小波相位相干分析并提取出相应频率的脑氧参数时频域特征后，输入到脑功能连接检测模块，代人到PLS校正模型中，即可自动算出脑功能连接检测结果，结果显示在液晶显示屏上，并可记录测试日期和时间，数据保存仪器存储器中，还可将数据传送到计算机中打印输出。

[0061] 如图3a和图3b所示，光电传感器2由两个双波长(760nm和850nm)和双检测脑氧参数器构成。光源与检测器之间距离R1为30mm,R2为40mm。可有效去除皮层中其他信号干扰。

[0062] 如图4a和图4b所示，小波相干方法分析左右前额叶脑氧信号特征频率小波相干性，包括神经性活动1，肌原性活动2；呼吸性活动3；心率活动4。其中，脑功能连接特性在肌原性活动2频率区间内，差异性较大。

[0063] 如图5a和图5b所示，小波相位相干方法分析左右前额叶脑氧信号特征频率相位相干性，包括神经性活动1，肌原性活动2；呼吸性活动3；心率活动4。其中，脑功能连接特性在肌原性活动2频率区间内，差异性较大。

[0064] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。