[發(fā)明專利]基于多距測(cè)量方法的遞歸最小二乘自適應(yīng)濾波近紅外腦功能活動(dòng)信號(hào)提取方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110435634.6
• 申請(qǐng)日: 2011-12-22
• 公開（公告）號(hào): CN102512142A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張巖;孫金瑋;張斌;劉昕;彼得·羅弗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/00
• 分類號(hào): A61B5/00;A61B5/1455
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 牟永林

1.基于多距測(cè)量方法的遞歸最小二乘自適應(yīng)濾波近紅外腦功能活動(dòng)信號(hào)提取方法，其特征在于它包括如下步驟：

步驟一：在待測(cè)腦組織的頭皮a表面放置由雙波長(zhǎng)光源S和檢測(cè)器D1和D2構(gòu)成的近紅外探頭，雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₁，5mm＜r₁＜10mm；雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D2之間的直線距離為r₂，30mm＜r₂＜45mm；檢測(cè)器D1和D2記錄大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強(qiáng)和大腦處于誘發(fā)激勵(lì)時(shí)的漫反射光強(qiáng)，以獲得兩個(gè)不同波長(zhǎng)λ₁和λ₂時(shí)的光密度變化量的時(shí)間序列：和和k為時(shí)間，k＝1，2，...，N，N為正整數(shù)；表示在雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₁且波長(zhǎng)為λ₁時(shí)光密度變化量的時(shí)間序列，表示在雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₁且波長(zhǎng)為λ₂時(shí)光密度變化量的時(shí)間序列，表示在雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₂且波長(zhǎng)為λ₁時(shí)光密度變化量的時(shí)間序列，表示在雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₂且波長(zhǎng)為λ₂時(shí)光密度變化量的時(shí)間序列；

步驟二：根據(jù)步驟一獲得的光密度變化量的時(shí)間序列采用修正朗伯比爾定律獲取雙波長(zhǎng)光源S和檢測(cè)器D1測(cè)得的氧合血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列Δ[HbO₂]^N(k)和還原血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列Δ[HHb]^N(k)，以及雙波長(zhǎng)光源S和檢測(cè)器D2測(cè)得的氧合血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列Δ[HbO₂]^F(k)和還原血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列Δ[HHb]^F(k)，Δ[HbO₂]^N(k)表示雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₁時(shí)的氧合血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列，Δ[HHb]^N(k)表示雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₁時(shí)的還原血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列，Δ[HbO₂]^F(k)表示雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₂時(shí)的氧合血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列，Δ[HHb]^F(k)表示雙波長(zhǎng)光源S到檢測(cè)器D1之間的直線距離為r₂時(shí)的還原血紅蛋白濃度變化量的時(shí)間序列，

Δ[HbO2]N(k)=(ϵHHb(λ1)ΔODλ2N(k)/DPF)-(ϵHHb(λ2)ΔODλ1N(k)/DPF)r1(ϵHbO2(λ2)ϵHHb(λ1)-ϵHbO2(λ1)ϵHHb(λ2)),]]>

Δ[HHb]N(k)=(ϵHbO2(λ2)ΔODλ1N(k)/DPF)-(ϵHbO2(λ1)ΔODλ2N(k)/DPF)r1(ϵHbO2(λ2)ϵHHb(λ1)-ϵHbO2(λ1)ϵHHb(λ2)),]]>

Δ[HbO2]F(k)=(ϵHHb(λ1)ΔODλ2N(k)/DPF)-(ϵHHb(λ2)ΔODλ1N(k)/DPF)r2(ϵHbO2(λ2)ϵHHb(λ1)-ϵHbO2(λ1)ϵHHb(λ2)),]]>

Δ[HHb]F(k)=(ϵHbO2(λ2)ΔODλ1N(k)/DPF)-(ϵHbO2(λ1)ΔODλ2N(k)/DPF)r2(ϵHbO2(λ2)ϵHHb(λ1)-ϵHbO2(λ1)ϵHHb(λ2)),]]>

其中，ε_HHb(λ₁)為探頭光源的波長(zhǎng)為λ₁時(shí)的消光系數(shù)，

為探頭光源的波長(zhǎng)為λ₂時(shí)的消光系數(shù)，

DPF為差分路徑因子；

步驟三：利用步驟二獲得的Δ[HbO₂]^N(k)、Δ[HHb]^N(k)、Δ[HbO₂]^F(k)和Δ[HHb]^F(k)構(gòu)建自適應(yīng)濾波的腦功能活動(dòng)信號(hào)，腦功能活動(dòng)信號(hào)表示為

e(k)＝d(k)-x^T(k)w(k)，

其中，d(k)表示由雙波長(zhǎng)光源S和檢測(cè)器D2解算的Δ[HbO₂]^F(k)或Δ[HHb]^F(k)，包含生理干擾和誘發(fā)的血液動(dòng)力學(xué)變化，k為取樣時(shí)刻；x(k)是一個(gè)列向量，表示為x(k)＝[x(t)x(k-1)…x(k-N)]^T，N為濾波器階數(shù)，x(k-N)為信號(hào)x(k)的N個(gè)單元延長(zhǎng)；x(k)表示由雙波長(zhǎng)光源S和檢測(cè)器D2獲得的Δ[HbO₂]^N(k)或Δ[HHb]^N(k)，主要由生理干擾構(gòu)成，作為自適應(yīng)濾波的參考信號(hào)；w(k)＝[w₀(k)w₁(k)...w_N(k)]^T是自適應(yīng)濾波器的系數(shù)向量；

步驟四：使腦功能活動(dòng)信號(hào)e(k)的累計(jì)平方誤差性能函數(shù)J(k)最小，求解w(k)最優(yōu)的濾波器系數(shù)向量：

J(k)=Σi=0kχk-i[d(i)-xT(i)w(k)]2]]>

其中，χ為指數(shù)加權(quán)因子，χ＝0.99，i＝0，1，…，k，k為正整數(shù)；

通過對(duì)J(k)相對(duì)于w(k)求導(dǎo)，則有

∂J(k)∂w(k)=-2Σi=0kχk-ix(i)[d(i)-xT(i)w(k)]2]]>

令上式等于零，能夠得到最優(yōu)的濾波器系數(shù)向量w^*(k)的表達(dá)式為

w^*(k)＝R^-1(k)p(k)

式中，R(k)為參考信號(hào)x(k)的確定性相關(guān)矩陣，p(k)為參考信號(hào)x(k)與期望信號(hào)d(k)之間的確定性互相關(guān)向量，表示為

R(k)=Σi=0kχk-ix(i)xT(i)]]>

p(k)=Σi=0kχk-ix(i)d(i);]]>

步驟五：求解腦功能活動(dòng)信號(hào)e(k)：

e(k)＝d(k)-x^T(k)w^*(k)。