一种脑皮层血红蛋白信息表征运动能力参数的提取方法与流程

本发明属于运动功能康复评定技术，特别涉及一种基于脑皮层血红蛋白信息表征脑卒中患者运动能力强弱特征参数的提取方法。

背景技术：

脑卒中已经成为我国中老年人群的常见病，随着人口老龄化的发展，中风的发病率和死亡率都大大增加。我国是人口的第一大国，也是名副其实的中风大国，据最新的调查数据，我国每年新发卒中病人约250万，每12秒就有一个人发生脑中风，每年死于卒中的人数超过150万。全国40岁以上的人群患病率已经达到2％，全国目前估计有700多万脑卒中人口，存活的中风患者中，约80％遗留有不同程度的残疾，其中40％为重度残疾。各种运动功能障碍导致患者的日常生活活动能力受限,影响患者再次融入社会生活,加重家庭和社会的经济负担。

及时、有效的评定对于指导脑卒中患者的运动功能康复治疗、评价治疗疗效、预测功能恢复均有重要的作用。目前的运动功能康复评定主要有主观性评定和客观性评定两部分，前者多采用Fugl-Meyer评估表，运动功能状态量表(Motor Status Scale：MSS)，Brunnstrom功能评价量表，Berg平衡评价量表等。量表评定在临床实践中广泛应用，但其主观性较强，难以精确地反映患者功能。后者多采用生物力学方法、神经电生理和功能磁共振等评估系统，相对于量表评估方法客观性强。尤其是功能磁共振评估方法，能够直接测试病源信息：脑血氧信息，其在各种评定方法中具有一定的优越性。

然而，目前功能磁共振的康复评定方法还存在以下主要问题：功能核磁脑成像技术的时间分辨率低，在测试过程中身体常局限在静止状态，有很大的约束性，而且对磁场环境要求较高。相对而言，近红外脑功能成像技术(NIRS)具有对测试环境以及受试者限制少、在认知活动的自然情景下支持长时间测量、不需要进行大量训练、具有理想的空间和时间分辨率的功能性等优点，使其在脑卒中的运功功能康复评定研究领域具有很大的优势。

技术实现要素：

发明目的：提出一种脑皮层血红蛋白信息表征运动能力参数的提取方法，应用非侵入式NIRS技术记录脑卒中患者执行指鼻和跟膝径实验过程中的脑皮质血红蛋白信息，使得患者自主控制运动无需外界刺激和前期训练，在自然运动情境下实现对更有利于反应患者的运动能力的脑血红蛋白信息的跟踪测量，为基于大脑生物信息评价脑卒中运动功能并针对性地辅助治疗和预测奠定了重要的理论基础。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种脑皮层血红蛋白信息表征运动能力参数的提取方法，其步骤包括：

1、脑卒中患者执行指鼻和跟膝径运动实验：健侧和患侧上下肢先后分别完成运动，患者自主控制运动的起始与终止时刻以及两个任务之间的休息时间(事先说明要尽量长：30s以上，并进行练习，但要求不能数数)；

2、根据运动期间以及休息期间所记录的脑皮层血红蛋白浓度信息，从多频段的角度分析患者康复前后期大脑皮层各个运动功能区域内含氧血红蛋白浓度的离散程度，以及活跃(浓度值为正)与抑制(浓度值为负)频段的变化趋势；

3、找出大脑血红蛋白信息空间差异的变化参数以及活跃与抑制频段的特征参数，表征脑卒中患者运动能力的强弱。

本发明有益效果：

1.应用NIRS脑信息获取技术可以在真实的自主运动过程中开展测试，增加了大脑生物信息反应运动能力的可信度，保证了应用动态中的脑血红蛋白信息评估运动能力的实用价值。

2.划分多个频段分析脑皮质血红蛋白信息，可纵向观察患者康复过程中的活跃频段转移情况，在每一具体频段下凸显空间区域的分布特征，有利于找出表征运动能力的典型特征，为较准确地评价脑卒中患者运动康复情况并给出针对性治疗或康复训练建议奠定了重要的前期基础。

3.基于空间功能区域的相对差异而非具体某一区域参数作为特征，不局限于某一特定的病因或是病灶位置，可增加应用范围。

附图说明

图1为本方法的实验运动时序图；

图2为本方法中大脑皮层测试通道以及运动功能区域分布图；

图3为本方法中脑卒中患者运动能力增强过程频段转移示意图。

具体实施方式

实施例：

1、脑卒中患者执行指鼻和跟膝径运动实验，健侧和患侧上下肢先后分别完成运动，患者自主控制运动的起始与终止时刻以及两个任务之间的休息时间；

指鼻任务(T1)：首先手臂自然状态放置于身体两侧，先将上肢手臂抬起至面前，用食指指向鼻尖，然后将手臂放回原处结束任务；

跟膝径任务(T2)：坐姿(坐在床上或是其他平台上)，初始时下肢为水平放置状态，先将运动腿抬起放置在不动腿的膝盖位置，之后将运动腿慢慢沿着不动腿的小腿滑到原水平位置结束任务。

首先给被试者讲解实验的整个流程及注意事项，在自然状态下，先后熟悉一下左右侧肢体的指鼻和跟膝径实验动作；其中患者根据自己的实际运动能力尽最大努力执行任务，即使是手臂的微小移动也认为是执行了相关任务，而不是要求必须完成指鼻或是跟膝径实验动作。

实验具体流程(如图1所示)：在任务开始前，被试保持静息状态2分钟左右后开始指鼻任务，左右肢体前后执行并重复四次；之后执行下肢的跟膝径滑动任务，同样是左右肢体前后执行并重复四次；每两个任务之间进行充分的休息，任务段和休息段交替进行。每个任务的开始和结束时刻、运动速度以及休息时间完全由患者自己控制，处于自发控制的运动状态，但在实验前告知患者休息足够多的时间，至少在30秒以上(但是不能通过数数来控制)。

患者先后执行3次运动实验，首次实验时间为脑卒中的头一个月内，之后每间隔2-3周进行下一次相同的运动采集实验；同时，每次运动实验前后一天内有专业医师针对上下肢运动能力进行评估；选用每次测试过程中运动能力均比上次有进步提高的患者进行数据分析。

2、根据运动期间以及休息期间所记录的脑皮层血红蛋白浓度信息，从多频段的角度分析患者康复前后期大脑皮层各个运动功能区域内含氧血红蛋白浓度的离散程度，以及活跃与抑制频段的变化趋势：

整个实验过程中，应用近红外光脑成像设备FORIE-3000采集被试的脑皮层血红蛋白信息，测试的脑皮层运动功能区域及测试通道、头套发射探头、接收探头分布图如图2所示；另有实验操作人员标记患者每个任务的开始和结束时刻(MARK)；头套布局方法：采用国际10-20系统标准电极定位法确定头顶中央点CZ，将头套的第7发射探头放置于CZ位置，第2发射探头正对鼻尖方向；所测试的范围包括22个测试通道(图2中数字代表不同的测试通道,带圆圈或三角形的数字代表不同的探头发射端或探头接收端)，每个测试通道所测试的信息包括含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白和总氧血红蛋白浓度，分析过程采样含氧血红蛋白作为主要分析参数。

所述运动功能区域包括：运动辅助区(SMA)、左侧运动前区(L-PMC)、右侧运动前区(R-PMC)、中心主运动控制区(M-SMC)、左侧主运动控制区(L-SMC)和右侧主运动控制区(R-SMC)；

具体步骤包括：

①针对每一个测试通道的含氧血红蛋白信息进行功率谱密度分析，确定所有运动功能区域内各测试通道的主功率对应的频率范围均小于等于0.15Hz；

②针对每个采样时刻计算各个运动功能区域内的各测试通道的含氧血红蛋白平均值，进一步应用sym4小波基对每个区域的信息进行小波包分解，分解层数为8层，对应的最小频段间隔为0.015Hz；基于小波系数计算各频率的能量分布百分比，并对先后三次运动实验的测试数据分别计算能量百分比，纵向观察运动康复过程中主要能量的频率分布特征(如图3所示)，可分析得出，随着运动能力的康复，主要能量的频段分布变化过程是：无能量集中频段或集中在0.1-0.12Hz→0.06-0.09Hz→0.015-0.06Hz，而且主要能量值呈递增规律。

③基于0.15Hz以下的十个频段小波系数执行小波重构，进一步基于每个频段的重构时序信息，计算每个任务段的运动功能区域时序平均值。

④针对患者康复前后测试数据计算每一频段内各个运动功能区域之间的变异系数，纵向观察运动康复过程中各频段的变异系数的大小变化以及频段分布特征，可分析得出，随着运动能力的康复，每一个频段内各个区域之间的数值离散度呈递减规律。

3、找出大脑血红蛋白信息空间差异的变化参数以及活跃与抑制频段的特征参数，表征脑卒中患者运动能力的强弱：

通过分析每一频段内各区域间变异系数的分布特征以及各频段的能量大小和能量百分比(表1)，确认能量百分比居于前两位的两个频段范围、相应频段内的变异系数值以及平均能量值可用来表征运动能力的恢复过程；两个活跃频段相邻且集中在低频段0.015-0.06Hz之间，同时变异系数越小，表示运动能力恢复的越好；抑制频段的主要频段范围也随着运动能力的恢复向低频段范围(0-0.03Hz)转移，而且，抑制频段与活跃频段之间的频段间距也随着康复过程递减。

表1脑卒中患者运动能力增强过程中各频段内区域之间的变异差数

注：正负能量分别计算百分比，负号表示数值占负值总和的百分比，正号表示数值占正值总和的百分比。下划线字体表示能量百分比≥20％以上的频段。