專利名稱：一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統，該系統利用大腦運動區的功能磁共振信號交互式控制運動動畫，以達到改善運動技能學習能力或康復運動功能障礙的目的。
背景技術：
在運動技能學習與運動功能康復領域中，運動能力的改善可以通過較長時間的真實運動訓練和想象運動訓練兩種方式來獲取，其中想象運動訓練方式特別適用于運動能力受損的患者。有研究表明，運動想象訓練可以有效提高運動行為表現。然而，訓練的時間與訓練的有效性之間的關系仍存在著矛盾，甚至有時花費了大量的時間效果不佳，也沒有合理的指標評估或預測后期的訓練方案。神經影像技術的發展為人們尋找有效的策略、調節或改善某種運動功能提供了新的手段，大量的研究關注功能腦區與運動功能之間的關系，研究結果表明，想象運動與真實運動在腦功能活動區域上有極大的相似性(Gerardin et al. , 2000 ；Stippich et al. , 2002 ；Rodriguez et al. ,2008 ；de Lange et al. ,2008 ； Fleming et al.，2010)，這些區域主要涉及主運動區、輔助運動區、前運動區等。因此，利用功能磁共振成像(fMRI)技術可以為運動訓練提供更合理的評估和預測指標，使人們從大腦的神經機制了解并應用運動訓練的技術。目前國外已有關于運動想象訓練的fMRI研究， fMRI技術在這些研究中的主要作用是提供訓練前后運動腦區激活的變化，研究結果證實了運動想象訓練在改善運動行為方面的有效性，并且運動行為的改變對應著大腦相應功能區域激活的改變，特別是前運動區功能活動的改變與運動行為的改變顯著相關。但這種訓練尚存在較多不足1)訓練時間較長；2)訓練期間無法評估大腦運動區的活動演變過程；3) 不能給受訓者提供及時的訓練效果以進行自我調整。這些問題影響人們制訂有效的訓練策略、進行客觀的評價、以及及時的自我調整。fMRI技術的突出優點是空間分辨率高，定位準確，借助fMRI可以找到運動訓練最有效的運動腦區，如果能夠將該腦區的fMRI信號實時提供給受訓者，使其通過訓練學習有意識地控制信號按照指定的方式變化，進行自我調整，就可以達到改善這個腦區的活動水平、強化腦區功能、進而加強與之相關行為能力的表現的目的。目前已有應用在聽覺皮層、 腦島皮層、前扣帶回皮層以及額下回等不同功能腦區的這類研究，這些腦區與聽覺加工、語言加工和情緒加工等有著密切關系，而這些腦區激活模式的改變有可能改變人的認知能力。特別是，一些研究已嘗試將其應用在臨床上，如降低疼痛的感知、改善慢性耳鳴的癥狀等。這些研究為人們探索提聞運動技能和運動康復的訓練提供了科學依據。

發明內容
為此，我們提出了一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統，它可以利用大腦運動區的功能磁共振信號交互控制運動動畫，通過運動速度反映對大腦運動區活動狀態的自我控制程度，達到改善運動技能學習能力或康復運動功能障礙的目的。
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—種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統,包括信息采集模塊，用于采集由受訓者fMRI信號轉換來的數據信息和掃描參數信息， 采集的信息送入數據分析模塊；數據分析模塊，用于對數據信息和參數信息進行實時分析，包括對數據的降噪處理、統計建模分析與結果顯示、提取運動狀態信息傳遞到動畫模塊；管理模塊，用于對訓練進程和受訓者信息進行管理，包括受訓者的信息編輯、掃描參數信息的調用、訓練進程所需形式及參數的設置，以及所有信息的存儲；動畫合成模塊，用于將運動狀態信息合成為跑步運動的動畫，根據運動狀態信息的變化控制跑步運動畫面的切換時間及顯示位置，在線合成跑步運動動畫并呈現給受訓者，交互式反映受訓者運動腦區的活動狀態。所述的信息采集模塊，用于采集運動想象任務下由受訓者的fMRI信號轉換來的數據信息和掃描參數信息，包括必要圖像信息輸入，如定義路徑，設定閾值搜索等待，數據格式轉換，圖像灰度校準。磁共振掃描儀每完成一次全腦fMRI圖像掃描就采集一次信息。所述的數據分析模塊，用于對數據信息和參數信息進行實時分析，包括對數據的降噪處理、統計建模分析與結果顯示、提取運動狀態信息和傳遞掃描參數信息。數據的降噪處理主要是針對圖像中的偽影和噪聲進行偽影校正、去除基線漂移、空間平滑濾波。統計建模分析用于得到與訓練進程相關的激活區域，并提取前運動區的激活強度作為受訓者當前的運動狀態信息；掃描參數信息不僅用于統計建模分析，同時也被傳遞給管理模塊；另外， 數據分析模塊還包括顯示與記錄，可以實時顯示受訓者的激活圖以及運動狀態信息，供訓練研究人員使用，此模塊同時保存處理中間和處理后的結果，供研究人員后期分析使用、評估系統運打。所述的管理模塊，用于對訓練進程和受訓者信息，包括受訓者的基本信息、掃描 fMRI的基本信息、訓練進程中訓練和休息的起始結束時間信息、數據分析的參數信息、不同信息的配置文件路徑等各種信息，進行編輯、保存、導入等管理。所述的動畫合成模塊，用于將運動狀態信息合成為跑步運動的動畫，運動狀態信息反映了當前前運動區的激活強度，根據該強度的大小控制跑步運動的每一幀畫面之間的切換時間及顯示位置，在線合成跑步運動動畫并實時呈現給受訓者，受訓者按照動畫的提示，通過調節自己前運動區的激活強度交互控制跑步運動的快慢，達到訓練大腦運動區的目的。本發明的優勢在于提供了一種基于磁共振信號的可交互的運動訓練方式，利用受訓者自己的運動腦區活動信息，交互控制跑步運動的快慢，使受訓者可以有意識地學習控制自己前運動區的激活，通過反復訓練，強化運動功能，產生持久效應，以達到改善運動技能或對運動功能障礙進行康復的作用。這種在跑步運動動畫和運動腦區激活之間的交互方式，可以更準確地反映、充分地調動受訓者的內在潛力，產生良好的訓練效果。


圖I:一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統連接示意2 :本發明的基本信息配置示意3 :本發明的訓練進程示意圖
圖4 :本發明的運動畫面示意5 :前運動區在大腦皮層的分布示意圖
具體實施例方式I、系統的硬件連接圖I為一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統連接示意圖，包括磁共振掃描系統，作為腦功能信號的采集設備，通過設置實時掃描序列將采集到的功能磁共振數據在一個射頻脈沖時間間隔TR內輸出，不需要對掃描設備做任何序列或者數據重構造方面的改動；數據分析系統，對掃描系統傳輸來的數據進行降噪處理、統計建模分析、信息管理、結果顯示等處理，得到運動訓練的大腦激活圖及運動狀態信息；動畫合成系統，根據運動狀態信息的變化控制每一幀畫面之間的切換時間及顯示位置，合成在線跑步運動動畫，并利用強磁場兼容刺激呈現設備呈現給受訓者，為受訓者提供自己運動狀態的交互信息。USB接口及以太網線傳輸，fMRI信號通過計算機局域網傳輸到數據分析系統和動畫合成系統，掃描觸發信號則采用USB接口送入數據分析模塊，計算機采用多線程技術對傳輸的數據信號和觸發信號進行實時采集、分析、以及動畫合成，同時可對數據分析結果進行顯示和存儲。顯示設備連接，本系統要求能夠輸出至少三路視頻信號，其中兩路視頻信號提供給訓練者，另外一路提供給受訓者。采用兩塊圖形顯示卡完成，并對計算機主機進行多屏顯示的控制。2、系統的軟件構成基本信息配置，對受訓者和fMRI信號掃描進行配置，如圖2所示，包括受訓者的個人基本信息如姓名時間等、fMRI信號的基本信息如序列號路徑等。信息采集，基本信息配置后根據設定的閾值搜索等待目標文件，然后通過數據格式轉換將DICOM格式圖像轉換為后續模塊所需格式的圖像數據，同時提取其中的掃描參數并存儲為配置文件，最后對轉換后的圖像灰度值進行歸一化校準。訓練進程配置，采用組塊設計方案，設置訓練進程中訓練和休息的開始時間個結束時間，將掃描參數文件中的圖像矩陣大小、像素大小、體元個數、TR值提取并顯示，配置后可以顯示為圖3所示的訓練進程。數據處理，首先對圖像數據進行頭動偽影的校正，利用三維空間中的3個平移參數和3個旋轉參數，通過使變換前后圖像間灰度值的平方差之和達到最小進行校準；接著采用三維的高斯核函數進行圖像的低通濾波，提高圖像的信噪比，使數據更接近高斯隨機場模型，適合于后面的統計分析；然后采用積累式廣義線性模型y= βΧ+e進行統計建模分析，將每一個體元的全部時間序列用來估計最優的回歸因子權重值，其中y代表一個體元的時間序列信號，X是訓練進程的設計矩陣，e是服從標準正態分布的誤差向量，利用遞歸最小二乘法從基于上一個時間點計算的估計值來推導出當前時間點的估計值，可以得到權重系數向量β的估計值
權利要求
1.一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統，其特征在于，包括信息采集模塊，用于采集運動想象任務下由受訓者功能磁共振信號轉換來的數據信息和掃描參數信息，包括必要的圖像信息輸入，如定義路徑、設定閾值搜索等待、數據格式轉換、圖像灰度校準，規定每完成一次全腦功能像掃描采集一次信息；數據分析模塊，用于對每次采集的數據信息和參數信息進行實時分析，提取前運動區的激活強度作為運動狀態信息，并傳遞到動畫合成模塊；管理模塊，用于對訓練進程和受訓者信息進行管理，包括受訓者的基本信息、磁共振掃描參數信息、訓練進程所需形式及參數、數據分析所需參數、不同信息的配置文件路徑等各種信息，對這些信息進行編輯、存儲、導入、選擇等管理；動畫合成模塊，用于將運動狀態信息合成為跑步運動的動畫，并動態地呈現給受訓者。
2.如權利要求I所述的一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統，其數據分析模塊特征在于，包括數據的降噪處理，采用偽影校正、去除基線漂移、空間平滑濾波改善圖像數據的信噪比和樣本統計分布特性；統計建模分析與結果顯示，采用實時廣義線性模型得到與訓練進程相關的激活區域， 在線顯示受訓者的大腦激活圖，存儲處理結果；運動狀態信息提取，結合激活結果和前運動區的解剖位置，提取前運動區的激活強度作為受訓者當前的運動狀態信息，同時將運動狀態信息顯示給訓練者。
3.如權利要求I所述的一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統，其動畫合成模塊特征在于，包括根據實時更新的運動狀態信息大小控制跑步運動的每一幀畫面之間的切換時間及顯示位置，合成跑步運動動畫并呈現給受訓者，受訓者根據跑步運動的快慢和訓練進程的時間背景提示，通過運動想象調節跑步運動的速度，達到訓練大腦運動區的目的；跑步的基本速率可以通過設置速度參數進行調整。
全文摘要
本發明提供了一種基于磁共振信號控制的運動動畫交互系統，利用功能磁共振技術，通過想象運動訓練方式，調節大腦運動區的功能，達到改善運動技能學習能力或康復運動功能障礙的目的。本發明涉及的系統包括信息采集模塊、數據分析模塊、管理模塊、動畫合成模塊。信息采集模塊獲取運動想象任務下功能磁共振數據信息和掃描參數信息；數據分析模塊對數據信息和參數信息進行實時分析，通過數據降噪、統計建模分析，提取運動狀態信息；動畫合成模塊根據運動狀態信息的變化控制跑步運動畫面的切換時間及顯示位置，在線合成跑步運動動畫并呈現給受訓者，交互式反映受訓者運動腦區的活動狀態；管理模塊對訓練進程和受訓者信息等進行管理。
文檔編號A61M21/00GK102600541SQ201210035640
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者姚力, 李曉飛, 許樂樂, 趙小杰 申請人:北京師范大學