專利名稱：獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，屬于血紅蛋白濃度檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
腦機(jī)接口是一種由人腦與計算機(jī)或其它電子設(shè)備建立起來的，基于大腦功能的電生理測量，而不依賴于外周神經(jīng)和肌肉組織這些常規(guī)的人腦信息輸出通道，實現(xiàn)人與外界信息交流和控制的全新通訊系統(tǒng)。通過分析腦信號將用戶的運動等意圖轉(zhuǎn)換為語言、設(shè)備的控制輸入量等，使用戶直接通過腦信號與外面的環(huán)境進(jìn)行實時的交互，從而繞開了人類神經(jīng)末梢和肌肉等通常的信息通道，建立能直接“讓思想變成行動”的對外信息交流和控制新途徑。
目前，腦機(jī)接口研究的基本方法是提取并識別特定意識活動的腦功能狀態(tài)特征信息，現(xiàn)有的主要技術(shù)包括腦電圖、腦磁圖、正電子放射層掃描術(shù)、功能磁共振?；谏窠?jīng)元的活動、局部能量代謝與局部血液動力學(xué)之間存在著一定的關(guān)系，通過測量腦組織對近紅外光波的吸收特性，能夠提供基于氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度等信息的血液動力學(xué)變化。因此，利用近紅外光譜技術(shù)測量該區(qū)域光學(xué)參數(shù)、血氧及血液動力學(xué)參數(shù)信息，可以獲取大腦皮質(zhì)在肢體運動、視覺、聽覺、觸覺以及語言等刺激激勵時的功能響應(yīng)，用于腦機(jī)接口的研究。功能近紅外光譜技術(shù)可以安全、便攜、經(jīng)濟(jì)以及非侵入式的檢測腦活動等特性， 基于較高的時間分辨率和合理的空間分辨率，在腦機(jī)接口研究中具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?br> 然而，通過近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行誘發(fā)激勵時腦功能活動的檢測，會受到人體的生理活動如心臟跳動、呼吸、低頻振蕩、超低頻振蕩的影響，稱之為生理干擾。這種生理干擾不但出現(xiàn)在頭皮、顱骨和腦脊液等外層腦組織中，也出現(xiàn)在腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)等深層腦組織中， 這些原因會使得近紅外腦機(jī)接口檢測獲得的氧合血紅蛋白濃度變化和還原血紅蛋白濃度變化量不準(zhǔn)確，進(jìn)而嚴(yán)重影響腦功能活動信號的準(zhǔn)確提取。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決近紅外腦機(jī)接口檢測中由于人體生理干擾造成檢測獲得的氧合血紅蛋白濃度變化和還原血紅蛋白濃度變化量不準(zhǔn)確，而影響腦功能活動信號準(zhǔn)確提取的問題，提供了一種獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法。
本發(fā)明所述獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，它包括以下步驟
步驟一采用近紅外探頭靠近待檢測頭部的頭皮表面，使得該近紅外探頭發(fā)射的近紅外光入射至待測腦組織，該近紅外探頭由雙波長光源S、檢測器Dl和檢測器D2構(gòu)成，其中雙波長光源S到檢測器Dl之間的直線距離為Γι，5mm彡Γι彡15mm,雙波長光源S到檢測器D2之間的直線距離為r2，30mm ^ r2 ^ 45mm ;檢測器Dl用于感應(yīng)外層腦組織的血液動力學(xué)變化，檢測器D2用于感應(yīng)大腦皮質(zhì)的血液動力學(xué)變化；步驟二 通過檢測器Dl記錄大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強和大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下的漫反射光強，獲得大腦安靜狀態(tài)下雙波長光源S波長為λ i時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列(幻，及獲得大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下雙波長光源S波長為λ 2時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列ΔΟΙ^(幻；通過檢測器D2記錄大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強和大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下的漫反射光強，獲得大腦安靜狀態(tài)下雙波長光源S波長為λ i時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列(岣，及獲得大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下雙波長光源S波長為λ 2時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列(幻；k為獲得時間序列的點數(shù)，k= 1，2，...，M，M為正整數(shù);步驟三根據(jù)步驟二中獲得的時間序列401 (幻和時間序列ΔΟΖ$㈨采用修正朗伯比爾定律獲取與檢測器Dl的檢測信號對應(yīng)的氧合血紅蛋白濃度變化量的時間序列Δ [Hb02]N(k)，及獲取與檢測器Dl的檢測信號對應(yīng)的還原血紅蛋白濃度變化量的時間序列
權(quán)利要求
1.一種獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，其特征在于，它包括以下步驟 步驟一采用近紅外探頭靠近待檢測頭部的頭皮表面，使得該近紅外探頭發(fā)射的近紅外光入射至待測腦組織，該近紅外探頭由雙波長光源S、檢測器Dl和檢測器D2構(gòu)成，其中雙波長光源S到檢測器Dl之間的直線距離為ri，5mm < T1 < 15mm,雙波長光源S到檢測器D2之間的直線距離為r2，30mm ^ r2 ^ 45mm ;檢測器Dl用于感應(yīng)外層腦組織的血液動力學(xué)變化，檢測器D2用于感應(yīng)大腦皮質(zhì)的血液動力學(xué)變化； 步驟二 通過檢測器Dl記錄大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強和大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下的漫反射光強，獲得大腦安靜狀態(tài)下雙波長光源S波長為\ x時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列(幻，及獲得大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下雙波長光源S波長為入2時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列(k)； 通過檢測器D2記錄大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強和大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下的漫反射光強，獲得大腦安靜狀態(tài)下雙波長光源S波長為\ x時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列^<(/ 0，及獲得大腦處于誘發(fā)激勵狀態(tài)下雙波長光源S波長為\ 2時、對應(yīng)的漫反射光的光密度變化量的時間序列； k為獲得時間序列的點數(shù)，k = 1,2, . . . , M, M為正整數(shù)； 步驟三根據(jù)步驟二中獲得的時間序列AODf(々)和時間序列4( '⑷采用修正朗伯比爾定律獲取與檢測器Dl的檢測信號對應(yīng)的氧合血紅蛋白濃度變化量的時間序列△ [HbO2]N(k)，及獲取與檢測器Dl的檢測信號對應(yīng)的還原血紅蛋白濃度變化量的時間序列A [HHb]N(k),.U W狀(k) / DPI' ) — (兒{k) / /)/)/'■) A[Hb(lY (k)=川。 -A--，rX i￡ma,(為)￡HHb (A)~ eHbO2 (A )￡HHb(^2)) 、「"》/ r,"、(牟)啊:(A)1/J/V') - (>； (々)/ (k) =---^-；!l (^HbO2 (^2 )^HHb W) _ ^HbO2 (A )￡HHb (/l2 )) 其中，SrabU1)為雙波長光源S的波長為^時還原血紅蛋白的消光系數(shù)， ￡ HHb ( ^ 2)為雙波長光源S的波長為X 2時還原血紅蛋白的消光系數(shù)，為)為雙波長光源S的波長為\ x時氧合血紅蛋白的消光系數(shù)， %^(毛)為雙波長光源S的波長為\ 2時氧合血紅蛋白的消光系數(shù)， DPF為差分路徑因子； 根據(jù)步驟二中獲得的時間序列AOZ^(幻和時間序列認(rèn))采用修正朗伯比爾定律獲取與檢測器D2的檢測信號對應(yīng)的氧合血紅蛋白濃度變化量的時間序列A [Hb02]F(k)，及獲取與檢測器D2的檢測信號對應(yīng)的還原血紅蛋白濃度變化量的時間序列A[HHb]F(k) ^nho ];. (/;) _ (%免⑷ / /)/"'.) -i i)pnrZ(^2、￡mib(^l ) - ￡HbO' iA)￡HHb (A)) A[////A]； (/；) _ (牟)乂(々)/ DPI' ) - ^ W)Dj {k) / DPI-')r2 (^HbO2 (Al )^HHb (A) ~ ^HbO2 (A )￡HHb (A )) 步驟四用X1 (k)表示步驟三中的A [HbO2] F(k)或A _F(k)JXl(k)作為腦機(jī)接口檢測中的測量通道信號，X1 (k)擴(kuò)展至加噪模型為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，其特征在于，雙波長光源S發(fā)出的兩種波長分別為入I = 760nm, A 2 = 850nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，其特征在于，雙波長光源S到檢測器Dl之間的直線距離ri為10mm，雙波長光源S到檢測器D2之間的直線距離r2為40mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，其特征在于， 步驟二中光密度變化量的時間序列(幻和光密度變化量的時間序列40/5(幻按如下公式獲取
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，其特征在于，步驟七中殘差e(k)的獲得方法為 首先，通過最小二乘估計準(zhǔn)則表示使殘差e(k)的累計平方誤差性能函數(shù)J最小，J表示為
全文摘要
獨立成分分析聯(lián)合最小二乘法的近紅外腦機(jī)接口的信號檢測方法，屬于血紅蛋白濃度檢測技術(shù)領(lǐng)域。它解決了近紅外腦機(jī)接口檢測中由于人體生理干擾造成檢測獲得的氧合血紅蛋白濃度變化和還原血紅蛋白濃度變化量不準(zhǔn)確，而影響腦功能活動信號準(zhǔn)確提取的問題。它通過檢測器記錄大腦安靜狀態(tài)下和處于誘發(fā)激勵時漫反射光強，獲得光密度變化量的時間序列和和再獲取Δ[HbO2]N(k)、Δ[HHb]N(k)、Δ[HbO2]F(k)Δ[HHb]F(k)；用x1(k)表示步驟二中的Δ[HbO2]N(k)或Δ[HHb]N(k)；用x2(k)表示步驟二中Δ[HbO2]F(k)或Δ[HHb]F(k)；推算出腦功能信號表達(dá)式s(k)；求解腦功能信號s(k)。本發(fā)明適用于腦機(jī)接口的信號檢測。
文檔編號A61B5/1455GK102973279SQ20121055195
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者張巖, 孫金瑋, 王寬全 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)