[發明專利]一種基于腦功能特征的實時神經解碼系統

有效

• 申請號: 201510029205.7
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104605853B
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 趙小杰;龍志穎;劉洋;張春成;李曉飛
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: A61B5/055
• 分類號: A61B5/055;G06K9/54;G06K9/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于腦功能特征的實時神經解碼系統，利用實時功能磁共振成像技術，通過對在線提取的腦功能特征進行分類，實現對磁共振功能圖像的實時神經解碼。本發明涉及的系統包括：預處理模塊、特征提取模塊、分類解碼模塊、顯示與反饋模塊以及參數配置模塊。預處理模塊對磁共振功能圖像進行在線讀取和格式轉換后，通過實時頭動校正、空間標準化和平滑，提高圖像的信噪比；然后利用特征提取模塊提取全腦圖像信號的主要成分作為特征；分類解碼模塊則利用實時支持向量機或高斯過程分類器對特征進行分類解碼，并通過顯示與反饋模塊將分類正確率實時反饋給被試。本發明對解讀心理、識別大腦活動、以及認知功能改善等多個領域有著重要的應用價值。

技術領域

本發明提供一種基于腦功能特征的實時神經解碼系統，屬于信息處理技術領域，具體是指通過分析實時功能磁共振成像數據提取腦功能特征，并對該特征進行實時特征分類，從而獲取大腦的認知狀態；同時受試者可在線觀測自己的分類結果，并通過相應策略調節自己大腦的活動狀態，從而達到改善相應的認知功能。

背景技術

神經解碼技術是指通過建立從大腦活動到刺激的直接映射關系，利用大腦活動信號識別出刺激信息。目前神經解碼所采用的信號主要有神經電生理信號，如腦電，和神經影像信號，如磁共振成像。其中，基于功能磁共振成像(fMRI)的神經解碼則是在腦影像數據與目標認知功能狀態之間建立映射關系，從腦成像數據中計算出認知狀態信息。加州大學伯克利分校的研究者成功地利用電腦模型和fMRI數據，將觀察到的腦神經活動進行解碼，從而確定了測試者所看到的圖片的類別。目前，基于fMRI的神經解碼主要以離線方式為主，即研究者并不能夠在實驗結束后立即獲得實驗結果，往往還需要幾個小時甚至幾天的時間對數據進行離線處理。

實時fMRI是一種逐漸興起的研究腦功能的技術手段，它要求功能圖像的采集和處理在每個掃描脈沖重復間隔時間內完成。因此，實時磁共振成像的實現必須保證快速的掃描成像序列和圖像處理算法。基于實時fMRI，可以將受訓者腦功能數據的分析結果實時的反饋給受試者，從而形成了神經反饋，它為認知心理學提供了新的研究手段。在神經反饋研究中，受試者通過反饋訓練，學習用意識控制自身相關腦區按照指定的方式活動。在傳統的實驗中，腦區的激活被認為是依賴于實驗給定刺激(視覺或聽覺形式)的因變量。也就是說研究的出發點是探求給定刺激對人腦活動的影響。相比之下，神經反饋允許人們來研究腦區活動的自我調控對行為的影響，即行為被當作自我意識調控的因變量。這是對傳統實驗模式的一種突破。此外，對功能受損腦區的康復訓練可以通過反饋相關腦區的活動，按照一定的策略，使受訓者學會提高這些腦區的活動強度，不斷強化受損腦區功能，進而加強與之相關行為能力的表現，達到最佳康復效果。

將實時fMRI技術和神經解碼技術結合起來，即實時神經解碼。實時神經解碼應用領域極其廣泛，可以作為一類腦機接口，根據大腦刺激情況解讀大腦狀態，進而判斷受試者的意圖，從而提供了一種僅憑大腦活動就能夠與外界交流或者控制外部設備的方式。另一方面，借助實時神經解碼進行神經反饋，通過對在線提取的腦功能特征進行分類，從而將對大腦狀態的解讀反饋給受試者，受試者可通過調節神經活動直接改變目標認知功能的當前狀態，理論上更有利于認知功能的改善與康復。然而，實時神經解碼在國內目前尚屬于空白，已有的解碼系統仍屬于離線方式，無法達到神經反饋的要求；且采用的特征提取方法大多是基于感興趣區域的，而分類方法主要以支持向量機為主，該分類器的優化過程比較復雜。

發明內容

為了解決上述背景技術中現存的問題，本發明提出了一種基于腦功能特征的實時神經解碼系統，通過分析實時fMRI數據提取腦功能特征，并對該特征進行實時特征分類，從而獲取大腦的認知狀態；同時也可將分類準確率實時反饋給受試者，通過相應策略調節自己大腦活動，從而達到改善相應的認知功能。本發明可以實時監控數據的質量，從而對實驗效果進行實時評估；也可以對全腦進行特征提取和分類，從而對人的行為表現或者認知狀態進行判別；也可以利用反饋訓練被試，從而調節被試的心理狀態和大腦功能。

一種基于腦功能特征的實時神經解碼系統包括：