專利名稱：基于光學腦成像的神經反饋訓練系統和神經反饋訓練方法
技術領域：
本發明涉及一種基于光學腦成像的神經反饋訓練系統，同時涉及一種基于光學腦成像的神經反饋訓練方法。
背景技術：
神經反饋是通過在線采集個體的大腦神經活動并反饋給其自身，使其能夠自主地對大腦活動進行調節，達到改變其認知及行為的目的。通過對特定大腦功能進行干預，從而實現對腦疾病患者的治療和康復，或是使健康人的認知能力(如學習、記憶等)得到提高。
研究者利用腦電圖(EEG)或功能磁共振成像(fMR I)，觀測希望調節的目標腦區的神經活動指標，并將其通過視聽覺等通道反饋給受訓者，從而指導受訓者嘗試對該神經活動指標加以自主調節。通過一定時間的反復訓練，受訓者可以掌握這種自主調節能力。由于被調節的腦區的神經活動與特定認知功能存在關聯，因此這種長期的訓練可以促進相應認知能力的改善，或是對某些神經與精神疾病起到治療作用。例如有文獻報道通過神經反饋調節視覺皮層的神經活動模式可以顯著提高視知覺學習敏感度；而慢性痛患者則可以通過神經反饋調節前扣帶皮層的神經活動來減輕疼痛(具體參見Kazuhisa Shibata etal. , Perceptual Learning Incepted by Decoded fMRI Neurofeedback Without Stimulus Presentation, SCIENCE, VOL. 334 (2011)和 deCharms etal. , Control over brain activation and pain learned by using real-time functional MRIj PNASj VOL. 102，NO. 51，(2005))。
用于神經反饋訓練的設備主要集中于基于腦電圖或基于功能磁共振成像的神經反饋訓練系統。例如公開號為CN101912255A的中國發明專利申請中公開的基于實時功能磁共振信號的神經反饋系統，通過功能磁共振信號在線檢測大腦的激活狀態，并實時反饋給受訓練者，通過反復訓練調控大腦的認知活動水平，提高或恢復受訓者相應的認知功能。 又如公開號為CN102319067A的中國發明專利申請中公開的用于大腦記憶功能改善的基于腦電信號的神經反饋訓練儀，可利用大腦活動過程采集下來的頭皮腦電信號，對記憶力的即時狀態進行定量檢測，并將表征記憶力水平的腦電節律波呈現給用戶，指導用戶有意識地調節腦電節律波，達到改善記憶力水平的目的。
然而，現有的神經反饋系統仍存在很多問題尚待解決。對于基于腦電圖的神經反饋系統，由于腦電圖的空間分辨率極低使得難以確切定位訓練腦區，而且腦電圖節律成分與認知功能的關系也尚不明確，因此訓練的靶向性差，其應用受到很大局限。而基于磁共振成像的神經反饋系統雖然一定程度上克服了腦電圖系統的不足，但由于磁共振成像設備成本和使用成本及其昂貴，設備體積巨大不能隨意移動，只能用于實驗室研究，根本不可能用于臨床長期治療訓練使用。發明內容
本發明所要解決的首要技 術問題在于提供一種基于光學腦成像的神經反饋訓練方法。
本發明所要解決的另一技術問題在于提供一種基于光學腦成像的神經反饋訓練系統。
為了達到上述的發明目的，本發明采用下述的技術方案
一種基于光學腦成像的神經反饋訓練方法，通過受訓者完成訓練任務達到訓練目的，包括如下步驟
(I)在所述訓練任務完成過程中，通過光學腦成像設備采集所述受訓者的神經活動數據；從所述神經活動數據中提取出大腦特定功能系統的神經活動強度指標；并將所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標作為反饋信息呈現給所述受訓者；進入步驟(2)；
(2)所述受訓者根據步驟(I)中獲得的所述反饋信息做出進一步訓練；進入步驟 (3)；
(3)重復步驟(I)中的過程；直至所述訓練任務結束。
較優地，在所述步驟(I)中，通過分析所述神經活動數據提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務記號和時間戳信息，并結合所述訓練任務的開始時間和結束時間，計算出所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標。
較優地，所述訓練任務采用組塊任務設計范式，包括交替進行的休息階段和任務階段，在所述步驟(I)中，所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標是指所述任務階段相對于所述休息階段的相對血氧濃度值。
一種用于實現上述神經反饋訓練方法的神經反饋訓練系統，包括光學腦成像設備、中央處理單元和顯示設備，所述光學腦成像設備用于采集受訓者的神經活動數據，并將采集到的所述神經活動數據傳輸給所述中央處理單元，所述中央處理單元用于結合訓練任務分析所述神經活動數據，獲得大腦特定功能系統的神經活動強度指標，并將之傳輸至所述顯示設備，所述顯示設備用于向所述受訓者呈現反饋信息。
較優地，所述中央處理單元包括任務模塊、采集模塊、解碼模塊和反饋模塊；其中， 所述任務模塊用于基于所述訓練任務生成任務流程，并控制其他模塊的執行情況；所述采集模塊用于實時從所述光學腦成像設備中獲取所述神經活動數據，并將所述神經活動數據傳輸至所述解碼模塊；所述解碼模塊用于對所述神經活動數據進行預處理，并提取出所述大腦特定功能系統的神經活動強度 指標；所述反饋模塊用于把所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標反饋至所述顯示設備。
較優地，所述采集模塊用于實時從所述光學腦成像設備中提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務記號和時間戳信息，并將所述氧合血紅蛋白濃度、 所述脫氧血紅蛋白濃度、所述任務記號和所述時間戳信息傳輸至所述解碼模塊。
較優地，所述訓練任務包括交替進行的休息階段和任務階段，所述任務模塊用于通知所述反饋模塊交替進入休息階段或者任務階段；并且所述任務模塊用于將所述休息階段和所述任務階段的時間開始點和結束時間點通知所述解碼模塊。
較優地，所述解碼模塊用于對所述神經活動數據進行預處理；并從預處理得到的結果中提取出大腦特定功能系統的對應區域的平均信號強度，再根據來自所述任務模塊的任務開始時間信息和任務結束時間信息，計算出所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標，所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標是指所述任務階段相對于所述休息階段的相對血氧濃度值。
較優地，所述反饋模塊用于把所述解碼模塊中得到的所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標以畫面的形式反饋至所述顯示設備。
較優地，所述光學腦成像設備是功能近紅外光譜儀。
本發明所提供的神經反饋訓練系統和神經反饋訓練方法，在訓練過程中通過光學腦成像設備采集受訓者的神經活動數據，并將受訓者大腦特定功能系統的神經活動強度指標反饋給受訓者，從而使受訓者能夠根據獲得的反饋信息調節訓練策略，以使其特定功能系統的神經活動得到訓練，向目標發展。其中，光學腦成像設備，利用腦組織血紅蛋白對不同波長的近紅外光吸收率的差異特性，可以無損地檢測大腦皮層的血液動力學活動，進而研究大腦神經活動。與腦電圖相比，光學腦成像具有一定的空間分辨率(I 3cm)，能對觀測到的腦信號進行較為精確的定位，提高了訓練的靶向性。與磁共振成像相比，光學腦成像價格便宜，設備輕便可移動，可以在醫院、家庭、學校等環境使用；掃描環境安全舒適，能夠進行反復多次測量，適合需要長期多次掃描的反饋訓練。


圖1為本發明所提供的基于光學腦成像的神經反饋訓練系統構成示意圖2為本發明實施例中，神經反饋訓練游戲的運行界面示例；
圖3為本發明實施例中，實驗任務設計示例；
圖4為圖3所示實驗任務中，受訓者的第12號導的相對氧合血紅蛋白濃度時序圖5為圖3所示實驗任務中，受訓者的頂葉光極片的空間激活圖6為圖3所示實驗任務中，受訓者的枕葉光極片的空間激活圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明的發明內容做詳細說明。
本發明所提供的基于光學腦成像(fNIRS)的神經反饋訓練系統通過受訓者完成訓練任務實現訓練目的。在受訓者完成訓練任務的過程中，光學腦成像設備實時捕獲受訓者大腦中特定功能系統的神經活動，并將特定功能系統的神經活動強度以友好的方式呈現給受訓者。受訓者根據獲得的反饋信息調節訓練策略，以使其特定功能系統的神經活動得到訓練，從而向目標發展。該神經反饋訓練方法可以應用于運動、語言、情緒等認知功能的調節，也可以用于腦中風病人的運動康復訓練。當然，該基于光學腦成像的神經反饋訓練方法，除了具有醫用治療價值外，還可用于改善普通人的神經活動，使普通人的神經活動得到鍛煉。
具體來說，在使用該神經反饋訓練系統進行訓練時，通過下列步驟實現訓練過程 步驟(I):在訓練任務完成過程中，通過光學腦成像設備采集`受訓者的神經活動數據，從神經活動數據中提取出大腦特定功能系統的神經活動強度指標，并將大腦特定功能系統的神經活動強度指標作為反饋信息呈現給受訓者，進入步驟(2);步驟(2):受訓者根據步驟(I) 中獲得的反饋信息做出進一步訓練，進入步驟(3);步驟(3):重復步驟(I)中的過程，直至訓練任務結束。
光學腦成像設備是一種非侵入式的設備，利用腦組織血紅蛋白對不同波長的近紅外光吸收率的差異特性，可以無損地檢測大腦皮層的血液動力學活動，進而研究大腦神經活動。在上述步驟(I)中，通過分析神經活動數據提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務記號和時間戳信息，并結合訓練任務的開始時間和結束時間，計算出大腦特定功能系統的神經活動強度指標。在該神經反饋訓練方法中，訓練活動包括交替進行的休息階段和任務階段，通過計算任務階段相對于休息階段的相對血氧濃度值，可以獲得大腦特定功能系統的神經活動強度指標。較優地，在該神經反饋訓練方法中，訓練任務采用組塊任務設計范式(block design),通過采用不同的組快任務設計,研究者能夠方便地使用該方法對受訓者進行相關的神經反饋訓練。
上面對基于光學腦成像的神經反饋訓練方法進行了簡要介紹，下面將詳細介紹本發明所提供的基于光學腦成像的神經反饋訓練系統和利用該神經反饋訓練系統進行訓練的過程。利用該神經反饋訓練系統進行訓練，目標是能夠方便地給受訓者反饋其自身的神經活動強度，使其掌握調節該活動的能力，以此帶來行為上的改變。
如圖1所示，該神經反饋訓練系統包括光學腦成像設備1、中央處理單元2和顯示設備3。其中，光學腦成像設備I用于采集受訓者的神經活動數據，并將采集到的神經活動數據傳輸給中央處理單元2，中央處理單元2結合執行的訓練任務分析神經活動數據獲得分析結果，并將分析結果傳輸至顯示設備3，顯示設備3用于向受訓者呈現反饋信息，該反饋信息是指受訓者大腦特定功能系統的神經活動強度指標。
其中，光學腦成像設備I可以用功能近紅外光譜儀實現，例如可以使用日立的 ETG-4000近紅外腦功能成像裝置；中央處理單元2可以用運行系統軟件的電腦主機實現， 顯示設備3可以用LCD液晶顯示屏或其他顯示器實現。在中央處理單元2中，又包括任務模塊21、采集模塊22、解碼模塊23和反饋模塊24 ;任務模塊21用于基于主試提供的組塊任務設計生成任務流程，并控制其他模塊的執行情況；采集模塊22用于實時從光學腦成像設備 I中獲取神經活動數據，即氧合血紅蛋白濃度值和脫氧血紅蛋白濃度值，并將神經活動數據傳輸至解碼模塊23 ;解碼模塊23用于將采集模塊2 2得到的神經活動數據進行預處理，并提取出大腦特定功能系統的神經活動強度指標；反饋模塊24用于把解碼模塊23中得到的神經活動強度指標反饋至顯示設備3，從而呈現給受訓者。
在該中央處理單元2中，各功能模塊的具體實現過程如下。任務模塊21，基于主試提供的組塊任務設計參數，生成時間間隔序列和任務序列，并維護一個定時器。定時器按時間間隔序列里面的時間作為倒計時。當定時器計時完畢，根據任務序列修改當前的實驗進行條件，并通知反饋模塊24進入休息階段或者任務階段；與此同時，通知解碼模塊23，因為解碼模塊23計算相對血氧濃度值需要知道休息階段和任務階段的時間開始點和結束時間點。采集模塊22，通過TCP/IP協議跟光學腦成像設備I建立網絡連接并實時接收神經活動數據，將接收到的神經活動數據按照預先設定的數據傳輸格式進行分析，提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務記號和時間戳信息。解碼模塊23，接收來自采集模塊22的神經活動數據，并對其進行滑動窗口平均濾波、氧合減脫氧血紅蛋白濃度的預處理過程；并從預處理得到的結果中提取出特定功能系統所對應區域的平均信號強度，再根據來自任務模塊21的任務開始時間信息和任務結束時間信息，計算出任務階段相對于休息階段的相對血氧濃度值。這個相對血氧濃度值即為大腦特定功能系統的神經活動強度指標。反饋模塊24，分為2個階段循環出現階段I為休息階段，呈現休息提示信息， 此時受訓者什么都不需要做，放松身心；階段2為任務階段，反饋模塊24接收來自解碼模塊 23的相對血氧濃度值，并且通過游戲畫面等形式友好的方式呈現給受訓者。此時，受訓者按照預先給定的訓練方式做出反應，從而進一步控制游戲的走向。例如，受訓者可以按照要求發出預先給定的訓練指導語，通過分析受訓者在發聲練習時的光學腦成像，獲得大腦的神經活動數據，進一步控制游戲走向。
在這里，以通過神經反饋手段來調節受訓者右側輔助運動區(rSMA)的神經活動的實施例為例，對上述神經反饋訓練系統的實現過程進行說明。
圖2所示的圖像是該實施例中顯示設備3上呈現的人機交互界面，其中，圖中石頭所在的區域為右側輔助運動區在采集區域中所對應的區域，以石頭的高度表示該神經區域的神經活動強度，石頭的高度越高，表示該區域的神經活動強度越強。從顯示設備3上呈現的畫面，受訓者在訓練過程中可以清晰地看到反映自己的右側輔助運動區的神經活動強度的石頭高度，從而了解到該受訓練區域的神經活動強度。該人機交互界面，由兩部分組成 一部分為信號燈，左側紅燈亮表示休息，右側綠燈亮表示任務進行；另一部分為石頭，石頭的高度由采集到的神經活動強度進行輸入控制。
在該訓練任務中，受訓者在身體不活動的情況下，通過運動想象策略把石頭高度調高，從而鍛煉采集區域所對應的特定神經系統的神經活動能力。在該實施例中，訓練任務的組塊任務設計范式如圖3所示，包括8個組塊，每個組塊內部有休息階段和任務階段兩部分，其中休息階段時長20秒，任務階段時長20秒。在該訓練任務中，使用日立ETG-4000光學腦成像設備完成訓練，該光學腦成像設備配置有兩片3X5的光極片，分別佩戴在受訓者的頂葉和枕葉，其中，頂葉覆蓋的部分運動區中包括右側輔助運動區。通過分析采集到的頂葉所對應區域的神經活動強度，可以獲得右側輔助運動區的神經活動能力，而通過對比頂葉和枕葉分別對應區域的神經活動強度，可以確定神經反饋訓練的特異性。
在訓練任務完成過程中，受訓者看著顯示設備3上的游戲畫面，當紅色信號燈亮， 受訓者處于休息狀態；當綠色信號燈亮，受訓者開始運動想象調節使石頭的高度盡可能地升高。
在任務模塊21中，基于主試提供的組塊任務設計參數，生成時間間隔序列。設定一個定時器，每20秒反應一次，一共運行2*8=16次。當任務模塊21采集到定時器反應，就切換訓練任務的進行狀態。若所切換的訓練狀態為休息階段，則通知反饋模塊24切換到休息階段；若所切換的訓練狀態為任務階段，則通知反饋模塊24進入任務階段，同時通知編碼模塊23重新計算基線并開始為反饋模塊24提供反饋信息。
在受訓者完成訓練任務的過程中，光學腦成像設備2捕獲受訓者的神經活動數據。
采集模塊22通過TCP協議跟ETG-4000建立網絡連接并實時接收光學腦成像設備2采集的神經活動數據。先接收4字節的32位整形數據，如果值為12，則表示接下來的是一個格式如表I的數據包，其中，在該數據包中，血氧濃度數據分 為兩部分，前半部分內容為氧合血紅蛋白濃度，后半部分內容為脫氧血紅蛋白濃度，每個濃度值為一個8字節的單精度浮點數。采集模塊22將接收到的數據按照上述格式進行分析，提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務標記和時間戳信息，并將上述數據發送至解碼模塊
權利要求
1.一種基于光學腦成像的神經反饋訓練方法，其特征在于包括如下步驟 (1)在訓練任務完成過程中，通過光學腦成像設備采集受訓者的神經活動數據；從所述神經活動數據中提取出大腦特定功能系統的神經活動強度指標，并將所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標作為反饋信息呈現給所述受訓者；進入步驟(2)； (2)所述受訓者根據步驟(1)中獲得的所述反饋信息做出進ー步訓練；進入步驟(3)； (3)重復步驟(1)中的過程；直至所述訓練任務結束。
2.如權利要求1所述的神經反饋訓練方法，其特征在于 在所述步驟(1)中，通過分析所述神經活動數據提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務記號和時間戳信息，并結合所述訓練任務的開始時間和結束時間，計算出所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標。
3.如權利要求1所述的神經反饋訓練方法，其特征在于 所述訓練任務采用組塊任務設計范式，包括交替進行的休息階段和任務階段，在所述步驟(I)中，所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標是指所述任務階段相對于所述休息階段的相對血氧濃度值。
4.一種用于實現權利要求1所述的神經反饋訓練方法的神經反饋訓練系統，其特征在于 包括光學腦成像設備、中央處理單元和顯示設備，其中，所述光學腦成像設備用于采集受訓者的神經活動數據，并將采集到的所述神經活動數據傳輸給所述中央處理單元，所述中央處理單元用于結合訓練任務分析所述神經活動數據，獲得大腦特定功能系統的神經活動強度指標，并將之傳輸至所述顯示設備，所述顯示設備用于向所述受訓者呈現反饋信息。
5.如權利要求4所述的神經反饋訓練系統，其特征在于 所述中央處理單元包括任務模塊、采集模塊、解碼模塊和反饋模塊；其中，所述任務模塊用于基于所述訓練任務生成任務流程，并控制其他模塊的執行情況；所述采集模塊用于實時從所述光學腦成像設備中獲取所述神經活動數據，并將所述神經活動數據傳輸至所述解碼模塊；所述解碼模塊用于對所述神經活動數據進行預處理，并提取出所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標；所述反饋模塊用于把所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標反饋至所述顯示設備。
6.如權利要求5所述的神經反饋訓練系統，其特征在于 所述采集模塊用于實時從所述光學腦成像設備中提取出當前時刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務記號和時間戳信息，并將所述氧合血紅蛋白濃度、所述脫氧血紅蛋白濃度、所述任務記號和所述時間戳信息傳輸至所述解碼模塊。
7.如權利要求5所述的神經反饋訓練系統，其特征在于 所述訓練任務包括交替進行的休息階段和任務階段，所述任務模塊用于通知所述反饋模塊交替進入休息階段或者任務階段；并且所述任務模塊用于將所述休息階段和所述任務階段的時間開始點和結束時間點通知所述解碼模塊。
8.如權利要求7所述的神經反饋訓練系統，其特征在于 所述解碼模塊用于對所述神經活動數據進行預處理；并從預處理得到的結果中提取出大腦特定功能系統的對應區域的平均信號強度，再根據來自所述任務模塊的任務開始時間信息和任務結束時間信息，計算出所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標，所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標是指所述任務階段相對于所述休息階段的相對血氧濃度值。
9.如權利要求7所述的神經反饋訓練系統，其特征在于 所述反饋模塊用于把所述解碼模塊中得到的所述大腦特定功能系統的神經活動強度指標以畫面的形式反饋至所述顯示設備。
10.如權利要求4所述的神經反饋訓練系統，其特征在于 所述光學腦成像設備是功能近紅外光譜儀。
全文摘要
本發明提供了一種基于光學腦成像的神經反饋訓練系統和神經反饋訓練方法。在該神經反饋訓練方法中，受訓者通過完成訓練任務達到訓練目的；在訓練任務完成過程中，通過光學腦成像設備采集受訓者的神經活動數據；從該神經活動數據中提取出大腦特定功能系統的神經活動強度指標，并將之作為反饋信息呈現給受訓者；受訓者根據獲得的反饋信息調節訓練策略，以使其特定功能系統的神經活動得到訓練，從而向目標發展。該神經反饋訓練方法，通過光學腦成像設備采集受訓者的神經活動數據。與腦電圖和磁共振成像相比，光學腦成像具有很強的靶向性，而且光學腦成像設備成本較低，適合于長期進行神經反饋訓練。
文檔編號A61B5/00GK103040446SQ20121059331
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者朱朝喆, 劉偉杰, 段煉 申請人:北京師范大學