专利名称：基于光学脑成像的神经反馈训练系统和神经反馈训练方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光学脑成像的神经反馈训练系统，同时涉及一种基于光学脑成像的神经反馈训练方法。
背景技术：
神经反馈是通过在线采集个体的大脑神经活动并反馈给其自身，使其能够自主地对大脑活动进行调节，达到改变其认知及行为的目的。通过对特定大脑功能进行干预，从而实现对脑疾病患者的治疗和康复，或是使健康人的认知能力(如学习、记忆等)得到提高。
研究者利用脑电图(EEG)或功能磁共振成像(fMR I)，观测希望调节的目标脑区的神经活动指标，并将其通过视听觉等通道反馈给受训者，从而指导受训者尝试对该神经活动指标加以自主调节。通过一定时间的反复训练，受训者可以掌握这种自主调节能力。由于被调节的脑区的神经活动与特定认知功能存在关联，因此这种长期的训练可以促进相应认知能力的改善，或是对某些神经与精神疾病起到治疗作用。例如有文献报道通过神经反馈调节视觉皮层的神经活动模式可以显著提高视知觉学习敏感度；而慢性痛患者则可以通过神经反馈调节前扣带皮层的神经活动来减轻疼痛(具体参见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))。
用于神经反馈训练的设备主要集中于基于脑电图或基于功能磁共振成像的神经反馈训练系统。例如公开号为CN101912255A的中国发明专利申请中公开的基于实时功能磁共振信号的神经反馈系统，通过功能磁共振信号在线检测大脑的激活状态，并实时反馈给受训练者，通过反复训练调控大脑的认知活动水平，提高或恢复受训者相应的认知功能。 又如公开号为CN102319067A的中国发明专利申请中公开的用于大脑记忆功能改善的基于脑电信号的神经反馈训练仪，可利用大脑活动过程采集下来的头皮脑电信号，对记忆力的即时状态进行定量检测，并将表征记忆力水平的脑电节律波呈现给用户，指导用户有意识地调节脑电节律波，达到改善记忆力水平的目的。
然而，现有的神经反馈系统仍存在很多问题尚待解决。对于基于脑电图的神经反馈系统，由于脑电图的空间分辨率极低使得难以确切定位训练脑区，而且脑电图节律成分与认知功能的关系也尚不明确，因此训练的靶向性差，其应用受到很大局限。而基于磁共振成像的神经反馈系统虽然一定程度上克服了脑电图系统的不足，但由于磁共振成像设备成本和使用成本及其昂贵，设备体积巨大不能随意移动，只能用于实验室研究，根本不可能用于临床长期治疗训练使用。发明内容
本发明所要解决的首要技 术问题在于提供一种基于光学脑成像的神经反馈训练方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种基于光学脑成像的神经反馈训练系统。
为了达到上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案
一种基于光学脑成像的神经反馈训练方法，通过受训者完成训练任务达到训练目的，包括如下步骤
(I)在所述训练任务完成过程中，通过光学脑成像设备采集所述受训者的神经活动数据；从所述神经活动数据中提取出大脑特定功能系统的神经活动强度指标；并将所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标作为反馈信息呈现给所述受训者；进入步骤(2)；
(2)所述受训者根据步骤(I)中获得的所述反馈信息做出进一步训练；进入步骤 (3)；
(3)重复步骤(I)中的过程；直至所述训练任务结束。
较优地，在所述步骤(I)中，通过分析所述神经活动数据提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务记号和时间戳信息，并结合所述训练任务的开始时间和结束时间，计算出所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标。
较优地，所述训练任务采用组块任务设计范式，包括交替进行的休息阶段和任务阶段，在所述步骤(I)中，所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标是指所述任务阶段相对于所述休息阶段的相对血氧浓度值。
一种用于实现上述神经反馈训练方法的神经反馈训练系统，包括光学脑成像设备、中央处理单元和显示设备，所述光学脑成像设备用于采集受训者的神经活动数据，并将采集到的所述神经活动数据传输给所述中央处理单元，所述中央处理单元用于结合训练任务分析所述神经活动数据，获得大脑特定功能系统的神经活动强度指标，并将之传输至所述显示设备，所述显示设备用于向所述受训者呈现反馈信息。
较优地，所述中央处理单元包括任务模块、采集模块、解码模块和反馈模块；其中， 所述任务模块用于基于所述训练任务生成任务流程，并控制其他模块的执行情况；所述采集模块用于实时从所述光学脑成像设备中获取所述神经活动数据，并将所述神经活动数据传输至所述解码模块；所述解码模块用于对所述神经活动数据进行预处理，并提取出所述大脑特定功能系统的神经活动强度 指标；所述反馈模块用于把所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标反馈至所述显示设备。
较优地，所述采集模块用于实时从所述光学脑成像设备中提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务记号和时间戳信息，并将所述氧合血红蛋白浓度、 所述脱氧血红蛋白浓度、所述任务记号和所述时间戳信息传输至所述解码模块。
较优地，所述训练任务包括交替进行的休息阶段和任务阶段，所述任务模块用于通知所述反馈模块交替进入休息阶段或者任务阶段；并且所述任务模块用于将所述休息阶段和所述任务阶段的时间开始点和结束时间点通知所述解码模块。
较优地，所述解码模块用于对所述神经活动数据进行预处理；并从预处理得到的结果中提取出大脑特定功能系统的对应区域的平均信号强度，再根据来自所述任务模块的任务开始时间信息和任务结束时间信息，计算出所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标，所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标是指所述任务阶段相对于所述休息阶段的相对血氧浓度值。
较优地，所述反馈模块用于把所述解码模块中得到的所述大脑特定功能系统的神经活动强度指标以画面的形式反馈至所述显示设备。
较优地，所述光学脑成像设备是功能近红外光谱仪。
本发明所提供的神经反馈训练系统和神经反馈训练方法，在训练过程中通过光学脑成像设备采集受训者的神经活动数据，并将受训者大脑特定功能系统的神经活动强度指标反馈给受训者，从而使受训者能够根据获得的反馈信息调节训练策略，以使其特定功能系统的神经活动得到训练，向目标发展。其中，光学脑成像设备，利用脑组织血红蛋白对不同波长的近红外光吸收率的差异特性，可以无损地检测大脑皮层的血液动力学活动，进而研究大脑神经活动。与脑电图相比，光学脑成像具有一定的空间分辨率(I 3cm)，能对观测到的脑信号进行较为精确的定位，提高了训练的靶向性。与磁共振成像相比，光学脑成像价格便宜，设备轻便可移动，可以在医院、家庭、学校等环境使用；扫描环境安全舒适，能够进行反复多次测量，适合需要长期多次扫描的反馈训练。
图1为本发明所提供的基于光学脑成像的神经反馈训练系统构成示意图2为本发明实施例中，神经反馈训练游戏的运行界面示例；
图3为本发明实施例中，实验任务设计示例；
图4为图3所示实验任务中，受训者的第12号导的相对氧合血红蛋白浓度时序图5为图3所示实验任务中，受训者的顶叶光极片的空间激活图6为图3所示实验任务中，受训者的枕叶光极片的空间激活图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明内容做详细说明。
本发明所提供的基于光学脑成像(fNIRS)的神经反馈训练系统通过受训者完成训练任务实现训练目的。在受训者完成训练任务的过程中，光学脑成像设备实时捕获受训者大脑中特定功能系统的神经活动，并将特定功能系统的神经活动强度以友好的方式呈现给受训者。受训者根据获得的反馈信息调节训练策略，以使其特定功能系统的神经活动得到训练，从而向目标发展。该神经反馈训练方法可以应用于运动、语言、情绪等认知功能的调节，也可以用于脑中风病人的运动康复训练。当然，该基于光学脑成像的神经反馈训练方法，除了具有医用治疗价值外，还可用于改善普通人的神经活动，使普通人的神经活动得到锻炼。
具体来说，在使用该神经反馈训练系统进行训练时，通过下列步骤实现训练过程 步骤(I):在训练任务完成过程中，通过光学脑成像设备采集`受训者的神经活动数据，从神经活动数据中提取出大脑特定功能系统的神经活动强度指标，并将大脑特定功能系统的神经活动强度指标作为反馈信息呈现给受训者，进入步骤(2);步骤(2):受训者根据步骤(I) 中获得的反馈信息做出进一步训练，进入步骤(3);步骤(3):重复步骤(I)中的过程，直至训练任务结束。
光学脑成像设备是一种非侵入式的设备，利用脑组织血红蛋白对不同波长的近红外光吸收率的差异特性，可以无损地检测大脑皮层的血液动力学活动，进而研究大脑神经活动。在上述步骤(I)中，通过分析神经活动数据提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务记号和时间戳信息，并结合训练任务的开始时间和结束时间，计算出大脑特定功能系统的神经活动强度指标。在该神经反馈训练方法中，训练活动包括交替进行的休息阶段和任务阶段，通过计算任务阶段相对于休息阶段的相对血氧浓度值，可以获得大脑特定功能系统的神经活动强度指标。较优地，在该神经反馈训练方法中，训练任务采用组块任务设计范式(block design),通过采用不同的组快任务设计,研究者能够方便地使用该方法对受训者进行相关的神经反馈训练。
上面对基于光学脑成像的神经反馈训练方法进行了简要介绍，下面将详细介绍本发明所提供的基于光学脑成像的神经反馈训练系统和利用该神经反馈训练系统进行训练的过程。利用该神经反馈训练系统进行训练，目标是能够方便地给受训者反馈其自身的神经活动强度，使其掌握调节该活动的能力，以此带来行为上的改变。
如图1所示，该神经反馈训练系统包括光学脑成像设备1、中央处理单元2和显示设备3。其中，光学脑成像设备I用于采集受训者的神经活动数据，并将采集到的神经活动数据传输给中央处理单元2，中央处理单元2结合执行的训练任务分析神经活动数据获得分析结果，并将分析结果传输至显示设备3，显示设备3用于向受训者呈现反馈信息，该反馈信息是指受训者大脑特定功能系统的神经活动强度指标。
其中，光学脑成像设备I可以用功能近红外光谱仪实现，例如可以使用日立的 ETG-4000近红外脑功能成像装置；中央处理单元2可以用运行系统软件的电脑主机实现， 显示设备3可以用LCD液晶显示屏或其他显示器实现。在中央处理单元2中，又包括任务模块21、采集模块22、解码模块23和反馈模块24 ;任务模块21用于基于主试提供的组块任务设计生成任务流程，并控制其他模块的执行情况；采集模块22用于实时从光学脑成像设备 I中获取神经活动数据，即氧合血红蛋白浓度值和脱氧血红蛋白浓度值，并将神经活动数据传输至解码模块23 ;解码模块23用于将采集模块2 2得到的神经活动数据进行预处理，并提取出大脑特定功能系统的神经活动强度指标；反馈模块24用于把解码模块23中得到的神经活动强度指标反馈至显示设备3，从而呈现给受训者。
在该中央处理单元2中，各功能模块的具体实现过程如下。任务模块21，基于主试提供的组块任务设计参数，生成时间间隔序列和任务序列，并维护一个定时器。定时器按时间间隔序列里面的时间作为倒计时。当定时器计时完毕，根据任务序列修改当前的实验进行条件，并通知反馈模块24进入休息阶段或者任务阶段；与此同时，通知解码模块23，因为解码模块23计算相对血氧浓度值需要知道休息阶段和任务阶段的时间开始点和结束时间点。采集模块22，通过TCP/IP协议跟光学脑成像设备I建立网络连接并实时接收神经活动数据，将接收到的神经活动数据按照预先设定的数据传输格式进行分析，提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务记号和时间戳信息。解码模块23，接收来自采集模块22的神经活动数据，并对其进行滑动窗口平均滤波、氧合减脱氧血红蛋白浓度的预处理过程；并从预处理得到的结果中提取出特定功能系统所对应区域的平均信号强度，再根据来自任务模块21的任务开始时间信息和任务结束时间信息，计算出任务阶段相对于休息阶段的相对血氧浓度值。这个相对血氧浓度值即为大脑特定功能系统的神经活动强度指标。反馈模块24，分为2个阶段循环出现阶段I为休息阶段，呈现休息提示信息， 此时受训者什么都不需要做，放松身心；阶段2为任务阶段，反馈模块24接收来自解码模块 23的相对血氧浓度值，并且通过游戏画面等形式友好的方式呈现给受训者。此时，受训者按照预先给定的训练方式做出反应，从而进一步控制游戏的走向。例如，受训者可以按照要求发出预先给定的训练指导语，通过分析受训者在发声练习时的光学脑成像，获得大脑的神经活动数据，进一步控制游戏走向。
在这里，以通过神经反馈手段来调节受训者右侧辅助运动区(rSMA)的神经活动的实施例为例，对上述神经反馈训练系统的实现过程进行说明。
图2所示的图像是该实施例中显示设备3上呈现的人机交互界面，其中，图中石头所在的区域为右侧辅助运动区在采集区域中所对应的区域，以石头的高度表示该神经区域的神经活动强度，石头的高度越高，表示该区域的神经活动强度越强。从显示设备3上呈现的画面，受训者在训练过程中可以清晰地看到反映自己的右侧辅助运动区的神经活动强度的石头高度，从而了解到该受训练区域的神经活动强度。该人机交互界面，由两部分组成 一部分为信号灯，左侧红灯亮表示休息，右侧绿灯亮表示任务进行；另一部分为石头，石头的高度由采集到的神经活动强度进行输入控制。
在该训练任务中，受训者在身体不活动的情况下，通过运动想象策略把石头高度调高，从而锻炼采集区域所对应的特定神经系统的神经活动能力。在该实施例中，训练任务的组块任务设计范式如图3所示，包括8个组块，每个组块内部有休息阶段和任务阶段两部分，其中休息阶段时长20秒，任务阶段时长20秒。在该训练任务中，使用日立ETG-4000光学脑成像设备完成训练，该光学脑成像设备配置有两片3X5的光极片，分别佩戴在受训者的顶叶和枕叶，其中，顶叶覆盖的部分运动区中包括右侧辅助运动区。通过分析采集到的顶叶所对应区域的神经活动强度，可以获得右侧辅助运动区的神经活动能力，而通过对比顶叶和枕叶分别对应区域的神经活动强度，可以确定神经反馈训练的特异性。
在训练任务完成过程中，受训者看着显示设备3上的游戏画面，当红色信号灯亮， 受训者处于休息状态；当绿色信号灯亮，受训者开始运动想象调节使石头的高度尽可能地升高。
在任务模块21中，基于主试提供的组块任务设计参数，生成时间间隔序列。设定一个定时器，每20秒反应一次，一共运行2*8=16次。当任务模块21采集到定时器反应，就切换训练任务的进行状态。若所切换的训练状态为休息阶段，则通知反馈模块24切换到休息阶段；若所切换的训练状态为任务阶段，则通知反馈模块24进入任务阶段，同时通知编码模块23重新计算基线并开始为反馈模块24提供反馈信息。
在受训者完成训练任务的过程中，光学脑成像设备2捕获受训者的神经活动数据。
采集模块22通过TCP协议跟ETG-4000建立网络连接并实时接收光学脑成像设备2采集的神经活动数据。先接收4字节的32位整形数据，如果值为12，则表示接下来的是一个格式如表I的数据包，其中，在该数据包中，血氧浓度数据分 为两部分，前半部分内容为氧合血红蛋白浓度，后半部分内容为脱氧血红蛋白浓度，每个浓度值为一个8字节的单精度浮点数。采集模块22将接收到的数据按照上述格式进行分析，提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务标记和时间戳信息，并将上述数据发送至解码模块
权利要求
1.一种基于光学脑成像的神经反馈训练方法，其特征在于包括如下步骤 (1)在训练任务完成过程中，通过光学脑成像设备采集受训者的神经活动数据；从所述神经活动数据中提取出大脑特定功能系统的神经活动強度指标，并将所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标作为反馈信息呈现给所述受训者；进入步骤(2)； (2)所述受训者根据步骤(1)中获得的所述反馈信息做出进ー步训练；进入步骤(3)； (3)重复步骤(1)中的过程；直至所述训练任务结束。
2.如权利要求1所述的神经反馈训练方法，其特征在于 在所述步骤(1)中，通过分析所述神经活动数据提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务记号和时间戳信息，并结合所述训练任务的开始时间和结束时间，计算出所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标。
3.如权利要求1所述的神经反馈训练方法，其特征在于 所述训练任务采用组块任务设计范式，包括交替进行的休息阶段和任务阶段，在所述步骤(I)中，所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标是指所述任务阶段相对于所述休息阶段的相对血氧浓度值。
4.一种用于实现权利要求1所述的神经反馈训练方法的神经反馈训练系统，其特征在于 包括光学脑成像设备、中央处理单元和显示设备，其中，所述光学脑成像设备用于采集受训者的神经活动数据，并将采集到的所述神经活动数据传输给所述中央处理单元，所述中央处理单元用于结合训练任务分析所述神经活动数据，获得大脑特定功能系统的神经活动强度指标，并将之传输至所述显示设备，所述显示设备用于向所述受训者呈现反馈信息。
5.如权利要求4所述的神经反馈训练系统，其特征在于 所述中央处理单元包括任务模块、采集模块、解码模块和反馈模块；其中，所述任务模块用于基于所述训练任务生成任务流程，并控制其他模块的执行情况；所述采集模块用于实时从所述光学脑成像设备中获取所述神经活动数据，并将所述神经活动数据传输至所述解码模块；所述解码模块用于对所述神经活动数据进行预处理，并提取出所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标；所述反馈模块用于把所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标反馈至所述显示设备。
6.如权利要求5所述的神经反馈训练系统，其特征在于 所述采集模块用于实时从所述光学脑成像设备中提取出当前时刻的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、任务记号和时间戳信息，并将所述氧合血红蛋白浓度、所述脱氧血红蛋白浓度、所述任务记号和所述时间戳信息传输至所述解码模块。
7.如权利要求5所述的神经反馈训练系统，其特征在于 所述训练任务包括交替进行的休息阶段和任务阶段，所述任务模块用于通知所述反馈模块交替进入休息阶段或者任务阶段；并且所述任务模块用于将所述休息阶段和所述任务阶段的时间开始点和结束时间点通知所述解码模块。
8.如权利要求7所述的神经反馈训练系统，其特征在于 所述解码模块用于对所述神经活动数据进行预处理；并从预处理得到的结果中提取出大脑特定功能系统的对应区域的平均信号強度，再根据来自所述任务模块的任务开始时间信息和任务结束时间信息，计算出所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标，所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标是指所述任务阶段相对于所述休息阶段的相对血氧浓度值。
9.如权利要求7所述的神经反馈训练系统，其特征在于 所述反馈模块用于把所述解码模块中得到的所述大脑特定功能系统的神经活动強度指标以画面的形式反馈至所述显示设备。
10.如权利要求4所述的神经反馈训练系统，其特征在于 所述光学脑成像设备是功能近红外光谱仪。
全文摘要
本发明提供了一种基于光学脑成像的神经反馈训练系统和神经反馈训练方法。在该神经反馈训练方法中，受训者通过完成训练任务达到训练目的；在训练任务完成过程中，通过光学脑成像设备采集受训者的神经活动数据；从该神经活动数据中提取出大脑特定功能系统的神经活动强度指标，并将之作为反馈信息呈现给受训者；受训者根据获得的反馈信息调节训练策略，以使其特定功能系统的神经活动得到训练，从而向目标发展。该神经反馈训练方法，通过光学脑成像设备采集受训者的神经活动数据。与脑电图和磁共振成像相比，光学脑成像具有很强的靶向性，而且光学脑成像设备成本较低，适合于长期进行神经反馈训练。
文档编号A61B5/00GK103040446SQ20121059331
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者朱朝喆, 刘伟杰, 段炼 申请人:北京师范大学