專利名稱：基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，同時(shí)涉及一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法。
背景技術(shù)：
神經(jīng)反饋是通過(guò)在線采集個(gè)體的大腦神經(jīng)活動(dòng)并反饋給其自身，使其能夠自主地對(duì)大腦活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到改變其認(rèn)知及行為的目的。通過(guò)對(duì)特定大腦功能進(jìn)行干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦疾病患者的治療和康復(fù)，或是使健康人的認(rèn)知能力(如學(xué)習(xí)、記憶等)得到提高。
研究者利用腦電圖(EEG)或功能磁共振成像(fMR I)，觀測(cè)希望調(diào)節(jié)的目標(biāo)腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)指標(biāo)，并將其通過(guò)視聽(tīng)覺(jué)等通道反饋給受訓(xùn)者，從而指導(dǎo)受訓(xùn)者嘗試對(duì)該神經(jīng)活動(dòng)指標(biāo)加以自主調(diào)節(jié)。通過(guò)一定時(shí)間的反復(fù)訓(xùn)練，受訓(xùn)者可以掌握這種自主調(diào)節(jié)能力。由于被調(diào)節(jié)的腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)與特定認(rèn)知功能存在關(guān)聯(lián)，因此這種長(zhǎng)期的訓(xùn)練可以促進(jìn)相應(yīng)認(rèn)知能力的改善，或是對(duì)某些神經(jīng)與精神疾病起到治療作用。例如有文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)視覺(jué)皮層的神經(jīng)活動(dòng)模式可以顯著提高視知覺(jué)學(xué)習(xí)敏感度；而慢性痛患者則可以通過(guò)神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)前扣帶皮層的神經(jīng)活動(dòng)來(lái)減輕疼痛(具體參見(jiàn)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))。
用于神經(jīng)反饋訓(xùn)練的設(shè)備主要集中于基于腦電圖或基于功能磁共振成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)。例如公開(kāi)號(hào)為CN101912255A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)中公開(kāi)的基于實(shí)時(shí)功能磁共振信號(hào)的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，通過(guò)功能磁共振信號(hào)在線檢測(cè)大腦的激活狀態(tài)，并實(shí)時(shí)反饋給受訓(xùn)練者，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練調(diào)控大腦的認(rèn)知活動(dòng)水平，提高或恢復(fù)受訓(xùn)者相應(yīng)的認(rèn)知功能。 又如公開(kāi)號(hào)為CN102319067A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)中公開(kāi)的用于大腦記憶功能改善的基于腦電信號(hào)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練儀，可利用大腦活動(dòng)過(guò)程采集下來(lái)的頭皮腦電信號(hào)，對(duì)記憶力的即時(shí)狀態(tài)進(jìn)行定量檢測(cè)，并將表征記憶力水平的腦電節(jié)律波呈現(xiàn)給用戶，指導(dǎo)用戶有意識(shí)地調(diào)節(jié)腦電節(jié)律波，達(dá)到改善記憶力水平的目的。
然而，現(xiàn)有的神經(jīng)反饋系統(tǒng)仍存在很多問(wèn)題尚待解決。對(duì)于基于腦電圖的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，由于腦電圖的空間分辨率極低使得難以確切定位訓(xùn)練腦區(qū)，而且腦電圖節(jié)律成分與認(rèn)知功能的關(guān)系也尚不明確，因此訓(xùn)練的靶向性差，其應(yīng)用受到很大局限。而基于磁共振成像的神經(jīng)反饋系統(tǒng)雖然一定程度上克服了腦電圖系統(tǒng)的不足，但由于磁共振成像設(shè)備成本和使用成本及其昂貴，設(shè)備體積巨大不能隨意移動(dòng)，只能用于實(shí)驗(yàn)室研究，根本不可能用于臨床長(zhǎng)期治療訓(xùn)練使用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的首要技 術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法。
本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)。
為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案
一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，通過(guò)受訓(xùn)者完成訓(xùn)練任務(wù)達(dá)到訓(xùn)練目的，包括如下步驟
(I)在所述訓(xùn)練任務(wù)完成過(guò)程中，通過(guò)光學(xué)腦成像設(shè)備采集所述受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)；從所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)中提取出大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)；并將所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)作為反饋信息呈現(xiàn)給所述受訓(xùn)者；進(jìn)入步驟(2)；
(2)所述受訓(xùn)者根據(jù)步驟(I)中獲得的所述反饋信息做出進(jìn)一步訓(xùn)練；進(jìn)入步驟 (3)；
(3)重復(fù)步驟(I)中的過(guò)程；直至所述訓(xùn)練任務(wù)結(jié)束。
較優(yōu)地，在所述步驟(I)中，通過(guò)分析所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)記號(hào)和時(shí)間戳信息，并結(jié)合所述訓(xùn)練任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，計(jì)算出所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。
較優(yōu)地，所述訓(xùn)練任務(wù)采用組塊任務(wù)設(shè)計(jì)范式，包括交替進(jìn)行的休息階段和任務(wù)階段，在所述步驟(I)中，所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)是指所述任務(wù)階段相對(duì)于所述休息階段的相對(duì)血氧濃度值。
一種用于實(shí)現(xiàn)上述神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，包括光學(xué)腦成像設(shè)備、中央處理單元和顯示設(shè)備，所述光學(xué)腦成像設(shè)備用于采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并將采集到的所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給所述中央處理單元，所述中央處理單元用于結(jié)合訓(xùn)練任務(wù)分析所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，獲得大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，并將之傳輸至所述顯示設(shè)備，所述顯示設(shè)備用于向所述受訓(xùn)者呈現(xiàn)反饋信息。
較優(yōu)地，所述中央處理單元包括任務(wù)模塊、采集模塊、解碼模塊和反饋模塊；其中， 所述任務(wù)模塊用于基于所述訓(xùn)練任務(wù)生成任務(wù)流程，并控制其他模塊的執(zhí)行情況；所述采集模塊用于實(shí)時(shí)從所述光學(xué)腦成像設(shè)備中獲取所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并將所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至所述解碼模塊；所述解碼模塊用于對(duì)所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并提取出所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度 指標(biāo)；所述反饋模塊用于把所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)反饋至所述顯示設(shè)備。
較優(yōu)地，所述采集模塊用于實(shí)時(shí)從所述光學(xué)腦成像設(shè)備中提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)記號(hào)和時(shí)間戳信息，并將所述氧合血紅蛋白濃度、 所述脫氧血紅蛋白濃度、所述任務(wù)記號(hào)和所述時(shí)間戳信息傳輸至所述解碼模塊。
較優(yōu)地，所述訓(xùn)練任務(wù)包括交替進(jìn)行的休息階段和任務(wù)階段，所述任務(wù)模塊用于通知所述反饋模塊交替進(jìn)入休息階段或者任務(wù)階段；并且所述任務(wù)模塊用于將所述休息階段和所述任務(wù)階段的時(shí)間開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)通知所述解碼模塊。
較優(yōu)地，所述解碼模塊用于對(duì)所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；并從預(yù)處理得到的結(jié)果中提取出大腦特定功能系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度，再根據(jù)來(lái)自所述任務(wù)模塊的任務(wù)開(kāi)始時(shí)間信息和任務(wù)結(jié)束時(shí)間信息，計(jì)算出所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)是指所述任務(wù)階段相對(duì)于所述休息階段的相對(duì)血氧濃度值。
較優(yōu)地，所述反饋模塊用于把所述解碼模塊中得到的所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)以畫(huà)面的形式反饋至所述顯示設(shè)備。
較優(yōu)地，所述光學(xué)腦成像設(shè)備是功能近紅外光譜儀。
本發(fā)明所提供的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，在訓(xùn)練過(guò)程中通過(guò)光學(xué)腦成像設(shè)備采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并將受訓(xùn)者大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)反饋給受訓(xùn)者，從而使受訓(xùn)者能夠根據(jù)獲得的反饋信息調(diào)節(jié)訓(xùn)練策略，以使其特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)得到訓(xùn)練，向目標(biāo)發(fā)展。其中，光學(xué)腦成像設(shè)備，利用腦組織血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)的近紅外光吸收率的差異特性，可以無(wú)損地檢測(cè)大腦皮層的血液動(dòng)力學(xué)活動(dòng)，進(jìn)而研究大腦神經(jīng)活動(dòng)。與腦電圖相比，光學(xué)腦成像具有一定的空間分辨率(I 3cm)，能對(duì)觀測(cè)到的腦信號(hào)進(jìn)行較為精確的定位，提高了訓(xùn)練的靶向性。與磁共振成像相比，光學(xué)腦成像價(jià)格便宜，設(shè)備輕便可移動(dòng)，可以在醫(yī)院、家庭、學(xué)校等環(huán)境使用；掃描環(huán)境安全舒適，能夠進(jìn)行反復(fù)多次測(cè)量，適合需要長(zhǎng)期多次掃描的反饋訓(xùn)練。
圖1為本發(fā)明所提供的基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)成示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，神經(jīng)反饋訓(xùn)練游戲的運(yùn)行界面示例；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)示例；
圖4為圖3所示實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，受訓(xùn)者的第12號(hào)導(dǎo)的相對(duì)氧合血紅蛋白濃度時(shí)序圖5為圖3所示實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，受訓(xùn)者的頂葉光極片的空間激活圖6為圖3所示實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，受訓(xùn)者的枕葉光極片的空間激活圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容做詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明所提供的基于光學(xué)腦成像(fNIRS)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)受訓(xùn)者完成訓(xùn)練任務(wù)實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練目的。在受訓(xùn)者完成訓(xùn)練任務(wù)的過(guò)程中，光學(xué)腦成像設(shè)備實(shí)時(shí)捕獲受訓(xùn)者大腦中特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)，并將特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度以友好的方式呈現(xiàn)給受訓(xùn)者。受訓(xùn)者根據(jù)獲得的反饋信息調(diào)節(jié)訓(xùn)練策略，以使其特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)得到訓(xùn)練，從而向目標(biāo)發(fā)展。該神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法可以應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、情緒等認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)，也可以用于腦中風(fēng)病人的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)然，該基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，除了具有醫(yī)用治療價(jià)值外，還可用于改善普通人的神經(jīng)活動(dòng)，使普通人的神經(jīng)活動(dòng)得到鍛煉。
具體來(lái)說(shuō)，在使用該神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，通過(guò)下列步驟實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過(guò)程 步驟(I):在訓(xùn)練任務(wù)完成過(guò)程中，通過(guò)光學(xué)腦成像設(shè)備采集`受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，從神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)中提取出大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，并將大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)作為反饋信息呈現(xiàn)給受訓(xùn)者，進(jìn)入步驟(2);步驟(2):受訓(xùn)者根據(jù)步驟(I) 中獲得的反饋信息做出進(jìn)一步訓(xùn)練，進(jìn)入步驟(3);步驟(3):重復(fù)步驟(I)中的過(guò)程，直至訓(xùn)練任務(wù)結(jié)束。
光學(xué)腦成像設(shè)備是一種非侵入式的設(shè)備，利用腦組織血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)的近紅外光吸收率的差異特性，可以無(wú)損地檢測(cè)大腦皮層的血液動(dòng)力學(xué)活動(dòng)，進(jìn)而研究大腦神經(jīng)活動(dòng)。在上述步驟(I)中，通過(guò)分析神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)記號(hào)和時(shí)間戳信息，并結(jié)合訓(xùn)練任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，計(jì)算出大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。在該神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法中，訓(xùn)練活動(dòng)包括交替進(jìn)行的休息階段和任務(wù)階段，通過(guò)計(jì)算任務(wù)階段相對(duì)于休息階段的相對(duì)血氧濃度值，可以獲得大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。較優(yōu)地，在該神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法中，訓(xùn)練任務(wù)采用組塊任務(wù)設(shè)計(jì)范式(block design),通過(guò)采用不同的組快任務(wù)設(shè)計(jì),研究者能夠方便地使用該方法對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行相關(guān)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練。
上面對(duì)基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，下面將詳細(xì)介紹本發(fā)明所提供的基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)和利用該神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練的過(guò)程。利用該神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，目標(biāo)是能夠方便地給受訓(xùn)者反饋其自身的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度，使其掌握調(diào)節(jié)該活動(dòng)的能力，以此帶來(lái)行為上的改變。
如圖1所示，該神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)包括光學(xué)腦成像設(shè)備1、中央處理單元2和顯示設(shè)備3。其中，光學(xué)腦成像設(shè)備I用于采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并將采集到的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給中央處理單元2，中央處理單元2結(jié)合執(zhí)行的訓(xùn)練任務(wù)分析神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)獲得分析結(jié)果，并將分析結(jié)果傳輸至顯示設(shè)備3，顯示設(shè)備3用于向受訓(xùn)者呈現(xiàn)反饋信息，該反饋信息是指受訓(xùn)者大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。
其中，光學(xué)腦成像設(shè)備I可以用功能近紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)，例如可以使用日立的 ETG-4000近紅外腦功能成像裝置；中央處理單元2可以用運(yùn)行系統(tǒng)軟件的電腦主機(jī)實(shí)現(xiàn)， 顯示設(shè)備3可以用LCD液晶顯示屏或其他顯示器實(shí)現(xiàn)。在中央處理單元2中，又包括任務(wù)模塊21、采集模塊22、解碼模塊23和反饋模塊24 ;任務(wù)模塊21用于基于主試提供的組塊任務(wù)設(shè)計(jì)生成任務(wù)流程，并控制其他模塊的執(zhí)行情況；采集模塊22用于實(shí)時(shí)從光學(xué)腦成像設(shè)備 I中獲取神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，即氧合血紅蛋白濃度值和脫氧血紅蛋白濃度值，并將神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至解碼模塊23 ;解碼模塊23用于將采集模塊2 2得到的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并提取出大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)；反饋模塊24用于把解碼模塊23中得到的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)反饋至顯示設(shè)備3，從而呈現(xiàn)給受訓(xùn)者。
在該中央處理單元2中，各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。任務(wù)模塊21，基于主試提供的組塊任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)，生成時(shí)間間隔序列和任務(wù)序列，并維護(hù)一個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器按時(shí)間間隔序列里面的時(shí)間作為倒計(jì)時(shí)。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢，根據(jù)任務(wù)序列修改當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行條件，并通知反饋模塊24進(jìn)入休息階段或者任務(wù)階段；與此同時(shí)，通知解碼模塊23，因?yàn)榻獯a模塊23計(jì)算相對(duì)血氧濃度值需要知道休息階段和任務(wù)階段的時(shí)間開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。采集模塊22，通過(guò)TCP/IP協(xié)議跟光學(xué)腦成像設(shè)備I建立網(wǎng)絡(luò)連接并實(shí)時(shí)接收神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，將接收到的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸格式進(jìn)行分析，提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)記號(hào)和時(shí)間戳信息。解碼模塊23，接收來(lái)自采集模塊22的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行滑動(dòng)窗口平均濾波、氧合減脫氧血紅蛋白濃度的預(yù)處理過(guò)程；并從預(yù)處理得到的結(jié)果中提取出特定功能系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度，再根據(jù)來(lái)自任務(wù)模塊21的任務(wù)開(kāi)始時(shí)間信息和任務(wù)結(jié)束時(shí)間信息，計(jì)算出任務(wù)階段相對(duì)于休息階段的相對(duì)血氧濃度值。這個(gè)相對(duì)血氧濃度值即為大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。反饋模塊24，分為2個(gè)階段循環(huán)出現(xiàn)階段I為休息階段，呈現(xiàn)休息提示信息， 此時(shí)受訓(xùn)者什么都不需要做，放松身心；階段2為任務(wù)階段，反饋模塊24接收來(lái)自解碼模塊 23的相對(duì)血氧濃度值，并且通過(guò)游戲畫(huà)面等形式友好的方式呈現(xiàn)給受訓(xùn)者。此時(shí)，受訓(xùn)者按照預(yù)先給定的訓(xùn)練方式做出反應(yīng)，從而進(jìn)一步控制游戲的走向。例如，受訓(xùn)者可以按照要求發(fā)出預(yù)先給定的訓(xùn)練指導(dǎo)語(yǔ)，通過(guò)分析受訓(xùn)者在發(fā)聲練習(xí)時(shí)的光學(xué)腦成像，獲得大腦的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步控制游戲走向。
在這里，以通過(guò)神經(jīng)反饋手段來(lái)調(diào)節(jié)受訓(xùn)者右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(rSMA)的神經(jīng)活動(dòng)的實(shí)施例為例，對(duì)上述神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。
圖2所示的圖像是該實(shí)施例中顯示設(shè)備3上呈現(xiàn)的人機(jī)交互界面，其中，圖中石頭所在的區(qū)域?yàn)橛覀?cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)在采集區(qū)域中所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，以石頭的高度表示該神經(jīng)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度，石頭的高度越高，表示該區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng)。從顯示設(shè)備3上呈現(xiàn)的畫(huà)面，受訓(xùn)者在訓(xùn)練過(guò)程中可以清晰地看到反映自己的右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度的石頭高度，從而了解到該受訓(xùn)練區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度。該人機(jī)交互界面，由兩部分組成 一部分為信號(hào)燈，左側(cè)紅燈亮表示休息，右側(cè)綠燈亮表示任務(wù)進(jìn)行；另一部分為石頭，石頭的高度由采集到的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行輸入控制。
在該訓(xùn)練任務(wù)中，受訓(xùn)者在身體不活動(dòng)的情況下，通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象策略把石頭高度調(diào)高，從而鍛煉采集區(qū)域所對(duì)應(yīng)的特定神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)能力。在該實(shí)施例中，訓(xùn)練任務(wù)的組塊任務(wù)設(shè)計(jì)范式如圖3所示，包括8個(gè)組塊，每個(gè)組塊內(nèi)部有休息階段和任務(wù)階段兩部分，其中休息階段時(shí)長(zhǎng)20秒，任務(wù)階段時(shí)長(zhǎng)20秒。在該訓(xùn)練任務(wù)中，使用日立ETG-4000光學(xué)腦成像設(shè)備完成訓(xùn)練，該光學(xué)腦成像設(shè)備配置有兩片3X5的光極片，分別佩戴在受訓(xùn)者的頂葉和枕葉，其中，頂葉覆蓋的部分運(yùn)動(dòng)區(qū)中包括右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)。通過(guò)分析采集到的頂葉所對(duì)應(yīng)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度，可以獲得右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)能力，而通過(guò)對(duì)比頂葉和枕葉分別對(duì)應(yīng)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度，可以確定神經(jīng)反饋訓(xùn)練的特異性。
在訓(xùn)練任務(wù)完成過(guò)程中，受訓(xùn)者看著顯示設(shè)備3上的游戲畫(huà)面，當(dāng)紅色信號(hào)燈亮， 受訓(xùn)者處于休息狀態(tài)；當(dāng)綠色信號(hào)燈亮，受訓(xùn)者開(kāi)始運(yùn)動(dòng)想象調(diào)節(jié)使石頭的高度盡可能地升高。
在任務(wù)模塊21中，基于主試提供的組塊任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)，生成時(shí)間間隔序列。設(shè)定一個(gè)定時(shí)器，每20秒反應(yīng)一次，一共運(yùn)行2*8=16次。當(dāng)任務(wù)模塊21采集到定時(shí)器反應(yīng)，就切換訓(xùn)練任務(wù)的進(jìn)行狀態(tài)。若所切換的訓(xùn)練狀態(tài)為休息階段，則通知反饋模塊24切換到休息階段；若所切換的訓(xùn)練狀態(tài)為任務(wù)階段，則通知反饋模塊24進(jìn)入任務(wù)階段，同時(shí)通知編碼模塊23重新計(jì)算基線并開(kāi)始為反饋模塊24提供反饋信息。
在受訓(xùn)者完成訓(xùn)練任務(wù)的過(guò)程中，光學(xué)腦成像設(shè)備2捕獲受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)。
采集模塊22通過(guò)TCP協(xié)議跟ETG-4000建立網(wǎng)絡(luò)連接并實(shí)時(shí)接收光學(xué)腦成像設(shè)備2采集的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)。先接收4字節(jié)的32位整形數(shù)據(jù)，如果值為12，則表示接下來(lái)的是一個(gè)格式如表I的數(shù)據(jù)包，其中，在該數(shù)據(jù)包中，血氧濃度數(shù)據(jù)分 為兩部分，前半部分內(nèi)容為氧合血紅蛋白濃度，后半部分內(nèi)容為脫氧血紅蛋白濃度，每個(gè)濃度值為一個(gè)8字節(jié)的單精度浮點(diǎn)數(shù)。采集模塊22將接收到的數(shù)據(jù)按照上述格式進(jìn)行分析，提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)標(biāo)記和時(shí)間戳信息，并將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至解碼模塊
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，其特征在于包括如下步驟 (1)在訓(xùn)練任務(wù)完成過(guò)程中，通過(guò)光學(xué)腦成像設(shè)備采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)；從所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)中提取出大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，并將所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)作為反饋信息呈現(xiàn)給所述受訓(xùn)者；進(jìn)入步驟(2)； (2)所述受訓(xùn)者根據(jù)步驟(1)中獲得的所述反饋信息做出進(jìn)ー步訓(xùn)練；進(jìn)入步驟(3)； (3)重復(fù)步驟(1)中的過(guò)程；直至所述訓(xùn)練任務(wù)結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，其特征在于 在所述步驟(1)中，通過(guò)分析所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)記號(hào)和時(shí)間戳信息，并結(jié)合所述訓(xùn)練任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，計(jì)算出所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。
3.如權(quán)利要求1所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，其特征在于 所述訓(xùn)練任務(wù)采用組塊任務(wù)設(shè)計(jì)范式，包括交替進(jìn)行的休息階段和任務(wù)階段，在所述步驟(I)中，所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)是指所述任務(wù)階段相對(duì)于所述休息階段的相對(duì)血氧濃度值。
4.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 包括光學(xué)腦成像設(shè)備、中央處理單元和顯示設(shè)備，其中，所述光學(xué)腦成像設(shè)備用于采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并將采集到的所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給所述中央處理單元，所述中央處理單元用于結(jié)合訓(xùn)練任務(wù)分析所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，獲得大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，并將之傳輸至所述顯示設(shè)備，所述顯示設(shè)備用于向所述受訓(xùn)者呈現(xiàn)反饋信息。
5.如權(quán)利要求4所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 所述中央處理單元包括任務(wù)模塊、采集模塊、解碼模塊和反饋模塊；其中，所述任務(wù)模塊用于基于所述訓(xùn)練任務(wù)生成任務(wù)流程，并控制其他模塊的執(zhí)行情況；所述采集模塊用于實(shí)時(shí)從所述光學(xué)腦成像設(shè)備中獲取所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并將所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至所述解碼模塊；所述解碼模塊用于對(duì)所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并提取出所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)；所述反饋模塊用于把所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)反饋至所述顯示設(shè)備。
6.如權(quán)利要求5所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 所述采集模塊用于實(shí)時(shí)從所述光學(xué)腦成像設(shè)備中提取出當(dāng)前時(shí)刻的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、任務(wù)記號(hào)和時(shí)間戳信息，并將所述氧合血紅蛋白濃度、所述脫氧血紅蛋白濃度、所述任務(wù)記號(hào)和所述時(shí)間戳信息傳輸至所述解碼模塊。
7.如權(quán)利要求5所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 所述訓(xùn)練任務(wù)包括交替進(jìn)行的休息階段和任務(wù)階段，所述任務(wù)模塊用于通知所述反饋模塊交替進(jìn)入休息階段或者任務(wù)階段；并且所述任務(wù)模塊用于將所述休息階段和所述任務(wù)階段的時(shí)間開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)通知所述解碼模塊。
8.如權(quán)利要求7所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 所述解碼模塊用于對(duì)所述神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；并從預(yù)處理得到的結(jié)果中提取出大腦特定功能系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度，再根據(jù)來(lái)自所述任務(wù)模塊的任務(wù)開(kāi)始時(shí)間信息和任務(wù)結(jié)束時(shí)間信息，計(jì)算出所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)是指所述任務(wù)階段相對(duì)于所述休息階段的相對(duì)血氧濃度值。
9.如權(quán)利要求7所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 所述反饋模塊用于把所述解碼模塊中得到的所述大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)以畫(huà)面的形式反饋至所述顯示設(shè)備。
10.如權(quán)利要求4所述的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于 所述光學(xué)腦成像設(shè)備是功能近紅外光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于光學(xué)腦成像的神經(jīng)反饋訓(xùn)練系統(tǒng)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法。在該神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法中，受訓(xùn)者通過(guò)完成訓(xùn)練任務(wù)達(dá)到訓(xùn)練目的；在訓(xùn)練任務(wù)完成過(guò)程中，通過(guò)光學(xué)腦成像設(shè)備采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)；從該神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)中提取出大腦特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，并將之作為反饋信息呈現(xiàn)給受訓(xùn)者；受訓(xùn)者根據(jù)獲得的反饋信息調(diào)節(jié)訓(xùn)練策略，以使其特定功能系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)得到訓(xùn)練，從而向目標(biāo)發(fā)展。該神經(jīng)反饋訓(xùn)練方法，通過(guò)光學(xué)腦成像設(shè)備采集受訓(xùn)者的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)。與腦電圖和磁共振成像相比，光學(xué)腦成像具有很強(qiáng)的靶向性，而且光學(xué)腦成像設(shè)備成本較低，適合于長(zhǎng)期進(jìn)行神經(jīng)反饋訓(xùn)練。
文檔編號(hào)A61B5/00GK103040446SQ20121059331
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者朱朝喆, 劉偉杰, 段煉 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)