[发明专利]一种联合脑电和功能磁共振信号的反馈系统

说明书

技术领域

本发明提供一种联合脑电和功能磁共振信号的反馈系统，属于生物信息处理技术领域，具体是指利用联合采集与分析脑电和功能磁共振信号，提取这两种信号同时反映的个体大脑特定活动状态的特征，并在线反馈给个体，通过训练个体调节大脑的活动特征，以达到调节改善相应的生理或心理表现。

背景技术

功能磁共振信号(fMRI)通过大脑血液动力学特性的变化来间接反映神经元的活动，因其功能定位的高空间分辨率被广泛应用在科研与临床；脑电信号(EEG)则近乎实时地记录了神经元的活动，因其较高的时间分辨率和对神经活动直接反映的特点同样被广泛应用在科研与临床，特别是EEG的节律波在大脑的加工过程中扮演着重要的角色。fMRI和EEG在时空特性上的互补性促使人们尝试同步采集EEG和fMRI数据，通过联合分析从神经活动电磁信息和代谢信息对大脑的功能和状态进行时空描述。目前，这两种信号均被分别应用于神经反馈系统中，通过适当的策略来自我调节大脑的特定信号，以达到改善大脑特定生理或心理表现的目的。

然而，EEG和fMRI数据的同步采集虽然随着磁适配的脑电设备出现成为可能，但扫描的方式以及同步采集中磁场环境对脑电信号的干扰，使得EEG信号的信噪比降低。此外，生物神经反馈过程强调特征反馈的快速性和有效性，尽管单独的基于EEG的神经反馈和基于fMRI的神经反馈可以实现了实时在线的反馈系统，但是现有的EEG/fMRI联合分析方法仍还仅仅是限于对离线数据的分析。

国内外调研表明，离线EEG/fMRI联合分析方法主要有两大类，一类称作数据融合、一类称作数据集成。数据融合方法对称地利用电信号和血液动力学信号，将EEG/fMRI对等地包含在适用于二者的同一个模型内，如Joint-ICA可以对分别来自ERP和fMRI的特征同时做ICA，寻找ERP时间变化与fMRI空间激活上的关系(Calhoun V.，Adali T.et al.2006.Neuronal chronometry of target detection：Fusion of hemodynamic and event-related potential data.NeuroImage.30：544-553.)；数据集成方法则是不对称地将一种数据作为另外一种数据的约束，如将fMRI的激活定位用于约束脑电数据的源定位分析结果(Stancak A，Polacek H，Vrana J，Rachmanova R，Hoechstetter K，Tintra J，Scherg M.2005.EEG source analysis and fMRI reveal two electrical sources in the fronto-parietal operculum during subepidermal finger stimulation.NeuroImage 25，8-20)，或用EEG中提取出来的特征预测fMRI数据的时间定位与分段(Goncalves S.I.，de Munck J.C.，et al.2006.Correlating the alpha rhythm to BOLD using simultaneous EEG/fMRI：Inter-subject variability.NeuroImage 30：203-213.)。然而，这些方法不是对数据有限制，如只适用于任务态数据或静息态(无任务状态)数据，就是对模型适用性有限，如算法复杂，难以在线分析等等，因此，联合EEG和fMRI信号的反馈系统尚未见报道。生物神经反馈的关键技术在于数据的实时处理与分析、特征的准确提取与反馈。因此，EEG/fMRI互补特征的提取、不同大脑活动状态的反馈与调节，这些领域的研究与发明将有利地推进生物反馈技术的发展。

发明内容

为此，本发明提出了一种联合脑电和功能磁共振信号的反馈系统，它可以在线提取特定任务状态或静息态下大脑活动的时空特征，如：不同节律脑波的变化以及与之相关的大脑活动区域的变化，并根据调节需求选取响应的特征信息反馈，通过特定策略调节反馈信号的强弱，从而通过训练达到调节大脑的认知功能、或心理表现、或生理症状，为促进学习与发展以及临床康复训练提供新的途径。

一种联合脑电和功能磁共振信号的反馈系统，包括：

数据检测与预处理模块，用于检测脑电信号与功能磁共振信号并标记其同步点，分别对这两种信号进行预处理；

时空特征提取模块，提取脑电信号特征作为回归量，与功能磁共振数据进行统计建模分析，在线提取与脑电特征相关的大脑功能区域；