[发明专利]用于近红外脑功能成像系统的实时信号质量评价算法

说明书

技术领域

本发明属于科研仪器领域，特别涉及用于脑功能研究的近红外光谱成像系统设计。

背景技术

功能近红外光谱成像(functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS)是一种新兴的脑成像技术，根据大脑组织中氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin,HbO)与脱氧血红蛋白(Deoxyhemoglobin,Hb)对两个波长近红外光吸收率的不同，测量HbO和Hb含量的相对变化值，进而反应与脑功能相关的血液动力学特性。

fNIRS技术在近十几年中得到了飞速的发展，与功能磁共振(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)技术相比可得到更加完备的血液动力学数据，且具有便携、安静、时间分辨率高、对头动噪声不敏感等优点，在科研领域得到了广泛应用。从探测原理方面的技术角度可将fNIRS设备分为三类：时域系统(Time Domain)、频域系统(Frequency Domain)以及连续波(Continuous Wave)系统。其中，由于制造成本以及技术复杂性等方面的考虑，连续波系统在市场中占据了主导地位。国外如日本日立公司、岛津公司，美国NIRx公司、TechEn公司、fNIR Devices公司、荷兰Artinis公司等多家厂商都相继推出了商业fNIRS产品，以满足脑科学领域的科研用途。

连续波fNIRS系统的工作原理为：将激光二极管或LED产生的特定波长光源通过光纤从头皮入射至大脑皮层，并在距其几厘米的位置采用光纤接收从大脑组织中散射出来的光，如图1所示。接着，根据Modified Beer-Lambert定理将测量得到的光强值进行计算，并得到HbO与Hb含量的相对变化值。在设备使用中，需要将光纤探头与头皮贴紧，其目的在于采集足够的光量用于计算，并确保采集到的信号信噪比足够高。

在使用fNIRS设备采集数据之前，需要配置光源和检测器与数据通道之间的对应关系，以及调整接收到信号的增益。如果光纤探头与皮肤耦合较差，接收到的光强就弱，信噪比将会低至无法得到有用的生理信息。然而在佩戴集成了光纤探头的帽子时，由于头发的影响，很难使探头的光纤断面与头皮完美耦合在一起，但经过自动增益调节，即使信号质量较差，如果信号幅值满足模数转换器的输入动态范围，系统就会认为已经满足测量需求。大部分fNIRS系统只提供信号幅值、增益的检测，并没有对信号的信噪比进行评估。如果某一通道信号质量较差而仍然进行数据采集，该通道数据将会无法满足后续分析，严重浪费人力物力。而在测量开始之后如果发现部分通道信号的质量不佳，虽然可以停止测量并重新处理头发造成的影响，但会浪费很多时间准备实验，也会造成被测试人员的疲劳或情绪波动，给实验带来更多不确定因素。

发明内容

本发明为fNIRS系统在正式测量之前提供一个信号质量评价算法，可有效提高数据采集的效率。由近红外光谱成像原理和实验数据分析可知，如果光纤与皮肤耦合良好，fNIRS系统采集的光强信号将会携带多种生理信息，如心跳、呼吸、Mayer wave等。在这些生理信息中，心跳的周期性最短，同时节律也最稳定，其频率分布在1.00～1.67Hz之间。从信号成分分析，约70%的光强信号变化量来自于头皮，而头皮中血流量变化的频率成分大部分来自于心跳节律的贡献。如图3所示，信号质量较好的某通道数据，其心跳的周期性非常显著。相反，如果信号质量不好，大量噪声通过放大之后，将心跳的节律信息完全淹没，如图4所示。通过截取一定长度的实时数据进行功率谱估计，并将心跳相关在功率成分在总功率中的比例提取为特征，可作为fNIRS系统数据采集时信号信噪比的评价标准。如果该特征低于既定阈值，则说明该通道所示光纤探头与头皮耦合不好，需进行调整。当所有通道信号特征值都高于阈值，才能进行正式测量。时间窗长度可选择6-10秒之间，最短时间设定为6秒是因为稳定的功率谱估计需要至少6个信号周期，而为了保证功率谱估计的鲁棒性，时间窗长度相对越长，功率谱越稳定，但考虑到等待时间不宜太久，最长时间窗为10秒钟，这个范围的时间窗长度可使信号质量评估特征更加稳定。由于不同信号的功率谱分布会有所不同，需要对功率谱进行归一化才能用阈值法判断信号质量的准确性。