基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像方法

技术领域

本发明涉及多模态脑成像研究领域，具体涉及一种基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像方法。

背景技术

多模态神经影像汇集各单一模态的优势，根据不同模态信号特点从多角度描述大脑活动，如结合电生理和血液动力学信号研究神经血管耦合。多模态脑成像要求各模态需要互相兼容、互补，从而形成对基础科学研究和临床应用有效的多模态脑成像平台。多模态脑成像技术在脑科学研究和脑疾病临床实践中占据重要地位，多模态脑成像平台也是脑科学领域大科学装置中不可或缺的一部分。

脑磁图(MEG)是非侵入性的大脑电生理测量技术，能够以毫秒级时间分辨率在头皮上测量大脑神经元电流产生的磁场或电场，从而直接记录大脑电生理活动。然而，传统的MEG的核心部分超导量子干涉装置(SQUID)需要在大型低温冷却系统中工作，这增加了MEG与其他神经成像模态结合的难度。近年来，快速发展的光泵磁强计(OPM)为SQUID-MEG技术提供了一个非常有效的替代方案。OPM可以在室温环境无需低温冷却系统的情况下测量极弱的磁场，大幅降低设备采购和维护成本，并且可以实现更灵活的探测器阵列排布。与SQUID-MEG探测器相比，OPM-MEG探测器可以放置在更靠近头皮的位置，通过减少与颅内皮质源的距离，显著提高信噪比。灵活的探测器排布方式提高了OPM-MEG与其他成像模态的兼容性。具体而言，OPM探测器可以与其他模态传感器在帽子上交错排列或定制针对个体受试者头部形状和传感器排布需求的头盔。

近红外脑成像(fNIRS)是一种非电离、安全、低成本、便携、可穿戴的氧合血液动力学神经影像技术。利用神经血管耦合效应，fNIRS通过测量大脑功能性血液动力学反应(如含氧血红蛋白、无氧血红蛋白浓度的变化)，间接反映大脑神经活动情况。fNIRS使用近红外光照射头皮，将探测器放置在距光源几厘米处，检测头皮出射光强变化，并根据不同的模型计算大脑血红蛋白浓度。目前，MEG已与fNIRS结合，研究神经血管耦合效应，如运动诱发神经血管耦合、神经血管耦合的习惯效应，推动神经血管耦合效应的生理学研究(如在睡眠、正常衰老领域)和病理学研究(如在阿尔茨海默病、高血压和中风领域)。

综上所述，结合脑磁图、近红外脑成像的多模态脑成像技术，可以同步记录大脑电生理和血流动力学变化，拓宽脑科学和脑疾病的研究方向和应用场景。然而，到目前为止，尚无能够实现OPM-MEG和fNIRS同步采集的多模态脑成像系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种一种基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像方法，可以实现同步记录大脑的电生理、血液动力学活动，对研究神经血管耦合与代谢活动有着积极作用。

本发明采用的技术方案为：

一种基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像方法，所述方法包括：

对测试对象施加一测试任务，并同步采集基于所述测试任务产生的大脑活动信号；其中，所述测试对象包括：健康受试者和患病的受试者，所述测试任务包括：由诱发脑神经活动的视觉任务、听觉任务和/或体感任务，所述大脑活动信号包括：多通道脑磁信号和多通道近红外成像信号；

基于所述多通道脑磁信号，构建包括皮层灰质在内的头模型，并在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵；其中，所述脑磁图传感器用于采集测试对象的多通道脑磁信号；

结合所述测试任务计算脑磁图的事件相关磁场，并根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度；

根据所述多通道近红外成像信号和所述测试任务的设计，获取事件相关血氧变化，并将所述事件相关血氧变化投影到所述头模型的皮层灰质上，以得到氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵；

基于所述皮层灰质神经活动强度、所述氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，计算神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度；

使用所述皮层灰质神经活动强度绘制大脑神经活动成像图，使用氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵绘制大脑血氧活动成像图，使用神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度绘制大脑神经血管耦合系数图。

进一步地，在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵，包括：

对测试对象的头模型进行离散网格化；

使用有限元仿真方法计算每个皮层灰质的网格点产生偶极子磁场后，将所述偶极子磁场传递到脑磁图传感器阵列处磁场；

将脑磁图传感器阵列处磁场大小除以对应网格点产生的所述偶极子磁场，得到该处皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量；

基于所有皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量，构成传递矩阵；其中，所述传递矩阵的行代表某个皮层灰质网格神经活动产生磁场的传递向量，所述传递矩阵的列代表不同的皮层灰质网格。

进一步地，根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度，包括：

采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图、近红外脑成像，并根据同步空采的光泵磁强计脑磁图，计算脑磁图传感器的噪声协方差矩阵N

结合所述事件相关磁场、所述传递矩阵和所述噪声协方差矩阵N

进一步地，基于所述皮层灰质神经活动强度、所述氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，计算氧合血红蛋白的耦合强度和脱氧血红蛋白的耦合强度，包括：

采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图、近红外脑成像，并根据同步空采近红外脑成像，计算近红外脑成像的氧合血红蛋白的噪声协方差矩阵N

通过皮层灰质神经活动强度、氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，使用最小范数估计获取氧合血红蛋白的耦合强度C

进一步地，所述同步采集基于所述测试任务产生的大脑活动信号的同时，还同步采集基于所述测试任务产生的人体电生理信号，所述人体电生理信号包括：眼动信号、心电信号和探头附件肌电信号。

进一步地，结合所述测试任务计算脑磁图的事件相关磁场，并根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度，还包括：

对所述多通道脑磁信号进行信号空间分离，以去除脑神经活动之外的环境干扰信号；

和，

时域上去除所述多通道脑磁信号工频的带阻滤波；

和，

去除所述多通道脑磁信号中与所述眼动信号、所述心电信号和探头附件肌电信号相关的成分；

和，

去除所述多通道近红外成像信号中由于头动校正、呼吸伪影和心跳伪影带来的噪声。

一种基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像系统，其特征在于，所述系统包括：

测试任务呈现装置，用于对测试对象施加一测试任务，所述测试对象包括：健康受试者和患病的受试者，所述测试任务包括：由诱发脑神经活动的视觉任务、听觉任务和/或体感任务；

第一信号生成装置，用于生成基于所述测试任务的多通道脑磁信号；

第二信号生成装置，用于生成基于所述测试任务产生的多通道近红外成像信号；

数据采集装置，用于同步采集多通道脑磁信号和多通道近红外成像信号；

脑成像装置，用于：

基于所述多通道脑磁信号，构建包括皮层灰质在内的头模型，并在所述头模型的基础上构建脑神经活动的源空间后，结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵；其中，所述脑磁图传感器用于采集测试对象的多通道脑磁信号；

结合所述测试任务计算脑磁图的事件相关磁场，并根据所述事件相关磁场和所述传递矩阵，计算皮层灰质神经活动强度；

根据所述多通道近红外成像信号，获取事件相关血氧变化，并将所述事件相关血氧变化投影到所述头模型的皮层灰质上，以得到氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵；

基于所述皮层灰质神经活动强度、所述氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，计算神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度；

使用所述皮层灰质神经活动强度绘制大脑神经活动成像图，使用氧合血红蛋白的活动矩阵和脱氧血红蛋白的活动矩阵绘制大脑血氧活动成像图，使用神经活动与氧合血红蛋白的耦合强度和神经活动与脱氧血红蛋白的耦合强度绘制大脑神经血管耦合系数图。

进一步地，还包括：磁屏蔽装置，所述磁屏蔽装置用于屏蔽与大脑神经活动无关的环境磁场。

进一步地，所述脑成像装置，还用于：

对测试对象的头模型进行离散网格化；

使用有限元仿真方法计算每个皮层灰质的网格点产生偶极子磁场后，将所述偶极子磁场传递到脑磁图传感器阵列处磁场；

将脑磁图传感器阵列处磁场大小除以对应网格点产生的所述偶极子磁场，得到该处皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量；

基于所有皮层灰质网格神经活动产生磁场对传感器阵列的传递向量，构成传递矩阵；其中，所述传递矩阵的行代表某个皮层灰质网格神经活动产生磁场的传递向量，所述传递矩阵的列代表不同的皮层灰质网格。

进一步地，所述脑成像装置，还用于：

采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图、近红外脑成像，并根据同步空采的光泵磁强计脑磁图，计算脑磁图传感器的噪声协方差矩阵N

结合所述事件相关磁场、所述传递矩阵和所述噪声协方差矩阵N

进一步地，所述脑成像装置，还用于：

采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图、近红外脑成像，并根据同步空采近红外脑成像，计算近红外脑成像的氧合血红蛋白的噪声协方差矩阵N

通过皮层灰质神经活动强度、氧合血红蛋白的活动矩阵和所述脱氧血红蛋白的活动矩阵，使用最小范数估计获取氧合血红蛋白的耦合强度C

进一步地，还包括：第三信号生成装置、第四信号生成装置和第五信号生成装置；其中，

所述第三信号生成装置用于生成基于所述测试任务产生的眼电信号；

所述第四信号生成装置用于生成基于所述测试任务产生的心电信号；

所述第五信号生成装置用于生成基于所述测试任务产生的探头附件肌电信号。

进一步地，所述脑成像装置还用于：

对所述多通道脑磁信号进行信号空间分离，以去除脑神经活动之外的环境干扰信号；

和，

时域上去除所述多通道脑磁信号工频的带阻滤波；

和，

去除所述多通道脑磁信号中与所述眼动信号、所述心电信号和探头附件肌电信号相关的成分；

和，

去除所述多通道近红外成像信号中由于头动校正、呼吸伪影和心跳伪影带来的噪声。

相比于现有技术，本发明至少具有以下优点：

1.能够实现对全脑电生理、血液动力学进行长时间非侵入性测量，适用于几乎所有健康人群和临床患者。

2.多模态同步采集和融合分析可以更全面更高效的刻画大脑活动情况，研究大脑在不同生理和病理条件下的特点，为基础科学和临床应用提供有效研究手段。

3.结合可穿戴脑磁图，本系统能够在最大程度还原使用场景的生态效度(ecological validity)，实现真实场景下认知神经科学研究。

附图说明

图1为本发明的硬件系统构成示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，通过具体的实施例对本发明的多模态脑成像系统作进一步描述，以便于本领域技术人员对本发明的特征和优点有更为彻底的理解。

本发明的基于脑磁图、近红外脑成像的多模态同步脑成像方法，如图1所示，其硬件系统包括以下模块：测试任务呈现装置、第一信号生成装置、第二信号生成装置、第三信号生成装置、第四信号生成装置、第五信号生成装置、磁屏蔽装置和脑成像装置。

一.测试任务呈现装置。

测试任务呈现装置用于给测试对象呈现诱发脑神经活动的任务信息，任务信息可以通过多种模态呈现(例如视觉、听觉和体感)，其中，测试对象包括：健康受试者和患病的受试者。测试任务呈现装置将任务的触发信号发送给数据采集装置，以实现后者的同步。

二.第一信号生成装置。

第一信号生成装置是一个脑磁信号采集装置，其用于在给测试对象呈现诱发脑神经活动的任务信息(触发信号)时，采集大脑神经活动产生的磁信号的探测器和配套器件(如前/后端放大器等)；脑磁信号采集装置的实现方式为光泵磁强计；脑磁信号采集装置表面配置多个探测器，每个探测器提供一个信号通道，各探测器采集的模拟信号分别发送给数据采集装置。

根据本发明的一个实施例，脑磁信号采集装置使用基于无自旋交换弛豫(SpinExchange Relaxation Free,SERF)原理的光泵磁强计脑磁图，但本系统也适用于其他原理的光泵磁强计脑磁图。

三.第二信号生成装置。

第二信号生成装置是一个近红外脑成像采集装置，其用于在给测试对象呈现诱发脑神经活动的任务信息时，发射近红外光的光源，采集携带大脑功能性血液动力学反应产生的出射光信号的探测器和配套器件(如前/后端放大器等)；近红外脑成像采集装置的实现方式可以通过连续波技术，频域技术，或者时域技术；近红外脑成像采集装置表面配置多个光源和探测器，光源和探测器配对成为一个信号通道，各通道的模拟信号分别发送给数据采集装置。

根据本发明的一个实施例，近红外脑成像采集装置使用连续波技术的近红外脑成像，但本系统也适用于频域技术或者时域技术的近红外脑成像。

四.第三信号生成装置。

第三信号生成装置是一个眼电信号采集装置，其用于在给测试对象呈现诱发脑神经活动的任务信息，采集测试对象当前的眼电信号。

五.第四信号生成装置。

第四信号生成装置是一个心电信号采集装置，其用于在给测试对象呈现诱发脑神经活动的任务信息，采集测试对象当前的心电信号。

六、第五信号生成装置。

第五信号生成装置是一个肌电信号采集装置，其用于在给测试对象呈现诱发脑神经活动的任务信息，采集测试对象当前的探头附件肌电信号。

七.磁屏蔽装置。

磁屏蔽装置用于屏蔽与大脑神经活动无关的环境磁场(例如地磁场，电子设备的干扰磁信号)。

根据本发明的一个实施例，磁屏蔽装置可以用使用屏蔽效果更优的多层磁屏蔽桶或能够提供自由运动空间的磁屏蔽间。对于可穿戴式的光泵磁强计脑磁图，还可以在每个光泵磁强计探测器上附加主动补偿线圈用于抵消由于运动引起的环境剩磁干扰信号。

八.数据采集装置。

数据采集装置可以同步采集多通道脑磁信号、多通道脑电信号、多通道近红外成像信号、触发信号和其他电生理信号(如眼电信号、心电信号)；数据采集装置对采集信号进行预处理和保存。

九.脑成像装置。

脑成像装置是本发明的核心装置，其基于预处理后的脑磁信号、近红外成像信号、触发信号、眼电信号、心电信号、探头附件肌电信号，绘制大脑神经活动成像图、大脑血氧活动成像图和大脑神经血管耦合系数图。

根据本发明的一个实施例，该脑成像装置融合脑成像的步骤如下：

1)采集测试对象的磁共振或CT头部结构图像，使用灰度梯度法、灰度阈值法、区域分割法等头部组织分割算法，构建包括头皮、头骨、脑脊液和皮层灰质在内的头模型。

2)在头模型的基础上构建脑神经活动的源空间，并结合测试对象头部与脑磁图传感器阵列的相对位置计算从源空间到脑磁图阵列的传递矩阵G

3)对采集到的脑磁信号进行信号空间分离(Signal-space separation)，用于去除脑神经活动之外的环境干扰信号。对脑磁信号进一步预处理，包括时域上去除工频(50Hz)的带阻滤波，提取所需频率成分的带通滤波，去除眼动、心电和探头附件肌电噪声的独立成分分析，进行头动校正。对与近红外脑成像数据预处理，包括头动校正，呼吸、心跳伪影去除，提取所需频率成分的带通滤波。

4)采集无测试对象情况下同步空采光泵磁强计脑磁图、近红外脑成像，计算脑磁图传感器的噪声协方差矩阵N

5)按照测试任务设计和测试触发信号结合广义线性模型计算脑磁图的事件相关磁场E(E的行代表某个通道事件相关磁场的时间序列，列代表不同的通道)和近红外的事件相关血氧变化。将全脑血氧变化投影到头模型的皮层灰质上，并进行插值，得到皮层灰质血氧活动矩阵H

6)通过皮层灰质神经活动强度M和皮层灰质血氧活动矩阵H

M＝C

M＝C

7)使用皮层灰质神经活动强度M绘制大脑神经活动成像图，使用皮层灰质血氧活动矩阵H

综上所述，在一个实现同步采集大脑的电生理、血液动力学活动信号的多模态脑成像系统的应用，可以包括准备阶段和测试阶段两部分。

准备阶段中，根据使用者头部形状定制搭载OPM探测器和fNIRS光纤头的刚性头盔。编写视觉刺激程序，绘制视觉刺激图片。

测试阶段中，测试对象在磁屏蔽环境中佩戴刚性头盔，紧贴头皮安装OPM探测器，拨开测试对象头发安装近红外脑成像光纤头。测试对象准备好后开始测试，播放视觉刺激程序，测试对象在测试过程中注视屏幕，各模态采集装置同步采集视觉刺激诱发的大脑活动信号，以完成大脑神经活动成像图、大脑血氧活动成像图和大脑神经血管耦合系数图的绘制。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。