一种多波长LED焦虑检测装置及反馈方法与流程

本发明属于光学传感技术领域以及分析检验仪器技术领域，具体涉及一种多波长led焦虑检测装置及反馈方法，可对不同的个体前额叶进行含氧血红蛋白浓度检测，为人们生活的焦虑情绪提供反馈。

背景技术：

功能近红外光谱技术是一种新兴的神经成像技术。相较于传统的神经成像技术，功能近红外光谱(fnirs)非侵入性直接或间接地监测脑的活动。其原理是，近红外光谱(nirs)通过无损伤颅骨，测量650纳米到950纳米之间的近红外光的吸收，通过检测局部脑含氧血红蛋白的浓度变化，反映大脑的神经活动(villringer&dirnafl，1995)。nirs放置在头皮表面的光源和检测器光极，进行检测测量位置大致出现在发射器和检测器之间，在中间的深度一半的源探测器的距离。1977年，首次证实诱发脑活动可改变收发的光学强度。在该出版物过去的几十年间，nirs已应用于研究各种与脑区活动相关的活动，包括视觉，听觉，体感皮质。研究的领域包括脑后叶、前额、认知和语言系统等。

焦虑(anxiety)是个体对即将来临，可能会造成威胁的情境产生的紧张、不安、忧虑、烦恼等不愉快的情绪状态。焦虑产生于个体感觉威胁不明确、且个体持有警戒态度时。焦虑情绪不但会引发焦虑症，还会导致一些其他疾病的产生。研究表明，焦虑会加速人们的衰老、心肌的缺氧和甲亢等。因此，焦虑情绪的判别具有十分重要的意义。以往研究者通常通过自评量表进行焦虑的判别。1953年，j.a.泰勒为配合瞬眼条件反应的研究而编制的一种测定焦虑水平的量表，显相焦虑量表(mas)；1971年，华裔教授zung编制焦虑自评量表(self-ratinganxietyscalesas)，此外还有hama、bai等量表用来评测人们的焦虑情况。但是仅仅通过焦虑问卷进行焦虑调查效果不太精确。随着脑成像技术的发展，fnirs关于焦虑症的研究已经成为一个热点。2003年，akiyoshi，hieda，aoki，和nagayama利用nirs进行惊恐障碍焦虑的调查使用和创伤后应激障碍。2008年，evah.telzer等利用nirs进行了焦虑与视觉行为关系的实验，表明愤怒的面孔会使得焦虑偏置加强。

2003年，菲利普斯等人提出了在前额皮层区域(prefrontalcortex,pfc)的该腹侧区域参与确定刺激的情感意义，表明pfc与个体的情绪调节和执行功能有密切的联系，如注意控制情绪的刺激，规划和付出努力调节情感状态。同时表明，前额叶皮层(pfc)的活动具体地反映了相关的情绪反应、精神压力和个性特。根据信息价不对称假说，具体情绪反应的精神压力和个性特征与前额叶皮层(pfc)的左/右不对称活动相关。被试者前额叶(pfc)，左边区域相对右边的部位活动程度较强时，表现出更积极和更少的消极意向的情绪。相比之下，前额叶(pfc)右边区域活动程度相比左边更强时，表现出较少的积极情绪和更多的消极情绪。含氧血红蛋白(hbo)浓度的改变反应出在该区域上大脑皮层血流量的改变。左右区域含氧血红蛋白与身体和心理上的压力和焦虑有着很强的正相关性。为了分析pfc活动的强烈性，采用偏侧化系数(lir)进行计算，偏侧化系数越大时，对应的部位越能反应出情绪活动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多波长led焦虑检测装置及反馈方法，该装置采用体积小、价格低、寿命长的led作为光源，装置紧凑性良好，同激发多波长led光谱，可以得到更多的含氧血红蛋白信息，有利于焦虑指数的反馈。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多波长led焦虑检测装置，包括首尾相接的便携式多波长led荧光检测探头、数据采集卡、处理器和led驱动电路，所述便携式多波长led荧光检测探头包括若干led灯及围绕着该若干led灯中心均匀分布的4个相同的探头，在每个探头中心设置有长通滤光片和大芯径光纤，大芯径光纤的一端正对长通滤光片，另一端与数据采集卡连接，处理器通过led驱动电路控制led灯发射光的波长。

在本发明一实施例中，所述处理器集成有乘法计算器、ad模块、dram存储器、flash存储器。

在本发明一实施例中，所述便携式多波长led荧光检测探头的led灯发射光的波长范围为780nm-850nm。

在本发明一实施例中，所述探头采用扁平结构的光电倍增管。

本发明还提供了一种基于上述所述装置的反馈方法，包括如下步骤，

步骤s1、分别调制点亮led灯，采集样本大脑前额叶780nm至850nm的led光谱，以文件的形式存放；

步骤s2、存放之后的数据采用修正后的比尔朗博定律进行转化，转化成含氧血红蛋白浓度数据；

步骤s3、对转化之后的含氧血红蛋白浓度数据进行偏侧化系数的计算；

步骤s4、利用皮尔逊相关系数计算偏侧化系数和焦虑指数的相关性，寻找最为相关的通道，进行数据降维；

步骤s5、建立fisher焦虑指数判别模型；

步骤s6、利用fisher焦虑指数判别模型，对步骤s2得到的含氧血红蛋白浓度数据进行焦虑指数预测。

在本发明一实施例中，所述步骤s5与s6之间还包括一步骤，即采用对建立fisher焦虑指数判别模型进行评价，q值越小，则模型效果越好。

在本发明一实施例中，所述步骤s2采用的修正后的比尔朗博定律公式如下，

其中，δchbo是hbo的浓度，分别为波长780nm和波长850nm光吸收量，i表示检测的光强强度，i(t,λ)、i0(t,λ)分别为在t时刻λ波长的入射光和透射光光强，是波长780nm在组织关于hb的散射系数，是波长850nm在组织关于hb的散射系数，b等同于dpf表示差分路径长度，d表示led灯中心与探头中心之间的距离。

在本发明一实施例中，所述步骤s4利用皮尔逊相关系数计算偏侧化系数和焦虑指数的相关性的计算过程如下，

其中，δoxyrt、δoxylt表示在静息态条件下，含氧血红蛋白浓度的变化量；表示在t时间进行求和；δoxyrt-δoxyrmin、δoxylt-δoxylmin分别表示右通道在t时间里相对于基值含氧血红蛋白相对数值的改变量、左通道的在t时间里相对于基值含氧血红蛋白相对数值的改变量；

令通道lir数值为x变量，sas焦虑状态指数值为y变量进行相关性的计算，计算皮尔逊相关系数；

在本发明一实施例中，所述步骤s5建立fisher焦虑指数判别模型的具体过程如下，

利用皮尔逊相关系数，选择含氧血红蛋白浓度变量，采用fisher线性判别法建立判别模型：

y＝w^tx

y＝(y1,y2,y3,...,yk)，x＝(x1,x2,x3,...,xk)

其中，y为焦虑指数，x为含氧血红蛋白浓度值，w^t是模型系数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用体积小、价格低、寿命长的led作为光源，装置紧凑性良好，同激发多波长led光谱，可以得到更多的含氧血红蛋白信息，有利于焦虑指数的反馈。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明在大脑前额叶的测量图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种多波长led焦虑检测装置，包括首尾相接的便携式多波长led荧光检测探头、数据采集卡、处理器和led驱动电路，所述便携式多波长led荧光检测探头包括若干led灯及围绕着该若干led灯中心均匀分布的4个相同的探头，在每个探头中心设置有长通滤光片和大芯径光纤，大芯径光纤的一端正对长通滤光片，另一端与数据采集卡连接，处理器通过led驱动电路控制led灯发射光的波长。所述处理器集成有乘法计算器、ad模块、dram存储器、flash存储器。所述便携式多波长led荧光检测探头的led灯发射光的波长范围为780nm-850nm。所述探头采用扁平结构的光电倍增管。

本发明还提供了一种基于上述所述装置的反馈方法，包括如下步骤，

步骤s1、分别调制点亮led灯，采集样本大脑前额叶780nm至850nm的led光谱，以文件的形式存放；

步骤s2、存放之后的数据采用修正后的比尔朗博定律进行转化，转化成含氧血红蛋白浓度数据；

步骤s3、对转化之后的含氧血红蛋白浓度数据进行偏侧化系数的计算；

步骤s4、利用皮尔逊相关系数计算偏侧化系数和焦虑指数的相关性，寻找最为相关的通道，进行数据降维；

步骤s5、建立fisher焦虑指数判别模型；

步骤s6、利用fisher焦虑指数判别模型，对步骤s2得到的含氧血红蛋白浓度数据进行焦虑指数预测。所述步骤s5与s6之间还包括一步骤，即采用对建立fisher焦虑指数判别模型进行评价，q值越小，则模型效果越好。

所述步骤s2采用的修正后的比尔朗博定律公式如下，

其中，δchbo是hbo的浓度，分别为波长780nm和波长850nm光吸收量，i表示检测的光强强度，i(t,λ)、i0(t,λ)分别为在t时刻λ波长的入射光和透射光光强，是波长780nm在组织关于hb的散射系数，是波长850nm在组织关于hb的散射系数，b等同于dpf表示差分路径长度，d表示led灯中心与探头中心之间的距离。

所述步骤s4利用皮尔逊相关系数计算偏侧化系数和焦虑指数的相关性的计算过程如下，

其中，δoxyrt、δoxylt表示在静息态条件下，含氧血红蛋白浓度的变化量；表示在t时间进行求和；δoxyrt-δoxyrmin、δoxylt-δoxylmin分别表示右通道在t时间里相对于基值含氧血红蛋白相对数值的改变量、左通道的在t时间里相对于基值含氧血红蛋白相对数值的改变量；

令通道lir数值为x变量，sas焦虑状态指数值为y变量进行相关性的计算，计算皮尔逊相关系数；

所述步骤s5建立fisher焦虑指数判别模型的具体过程如下，

利用皮尔逊相关系数，选择含氧血红蛋白浓度变量，采用fisher线性判别法建立判别模型：

y＝w^tx

y＝(y1,y2,y3,...,yk)，x＝(x1,x2,x3,...,xk)

其中，y为焦虑指数，x为含氧血红蛋白浓度值，w^t是模型系数。

以下为本发明的具体实施过程。

如图1所示，本发明的多波长led焦虑检测装置，包括便携式多波长led光检测探头、大芯径光纤、led驱动电路、数据采集卡和处理器。多波长led检测探头围绕着led中心均匀分布有4个相同的探头，在每个探头中心设置有长通滤光片和大芯径光纤，大芯径光纤的一端正对长通滤光片，另一端通过数据采集卡与处理器连接，处理器通过led驱动电路控制led波长。

所述的不同波长的led的波长范围为：780nm-850nm。

多波长led焦虑检测和反馈方法，具体步骤为：

1、焦虑数值采集：采集试验者焦虑状态表的焦虑指数。

2、光谱采集：调制点亮单个led，采集样本大脑前额叶780nm至850nm的led光谱，以文件的形式存放。

3、含氧血红蛋白浓度转换：采用修正后的比尔朗博定律。

其中，δchbo是hbo的浓度，分别为波长780nm和波长850nm光吸收量，i表示检测的光强强度，i(t,λ)、i0(t,λ)分别为在t时刻λ波长的入射光和透射光光强，是波长780nm在组织关于hb的散射系数，是波长850nm在组织关于hb的散射系数，b等同于dpf表示差分路径长度，d表示led灯中心与探头中心之间的距离。

4、数据降维：经过预处理后，得到对应的hbo数据，每组的数据维数为5647*42。使用这些数据，通过挖掘它里面有价值的知识和内容用来指导其具体的应用，数据的降维显得尤其重要。根据信息价不对称假说，具体情绪反应的精神压力和个性特征与前额叶皮层(pfc)的左/右不对称活动相关。

其中，δoxyrt、δoxylt表示在静息态条件下，含氧血红蛋白浓度的变化量；表示在t时间进行求和；δoxyrt-δoxyrmin、δoxylt-δoxylmin分别表示右通道在t时间里相对于基值(最小值)含氧血红蛋白相对数值的改变量、左通道的在t时间里相对于基值(最小值)含氧血红蛋白相对数值的改变量；相比之下，前额叶(pfc)右边区域活动程度相比左边更强时，表现出较少的积极情绪和更多的消极情绪。通过计算偏侧化系数得到在静息态下，计算前额叶(pfc)左右对称区域的的活动情况，探讨在前额叶(pfc)和焦虑最为相关的区域。

5、通道lir数值为x变量，sas焦虑状态指数值为y变量进行相关性的计算，计算皮尔逊相关系数。

6、建立模型：利用皮尔逊相关系数，选择hbo变量，采用fisher线性判别法建立判别模型：

y＝w^tx

y＝(y1,y2,y3,...,yk)，x＝(x1,x2,x3,...,xk)

其中，y为焦虑指数，x为含氧血红蛋白浓度值，w^t是模型系数。

7、评价：采用进行评价，q值越小，模型效果越好。

8、反馈：利用fisher判别算法，使用led检测，转换之后的hbo浓度值进行焦虑指数预测。

图2是利用本发明装置及方法得到的大脑前额叶的测量图。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。