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功能近红外光谱成像技术在大脑认知功能中的应用

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立体定向和功能性神经外科杂志 2018年第3期31卷 189-192页

作者：司娟宁张文玥李雅欣娄小平何江弘北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院生物医学检测技术与仪器北京实验室北京100192 陆军总医院附属八一脑科医院神经外科北京100700

功能近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是新近发展起来的一种利用近红外光来检测组织血氧变化的无创新型光学脑功能成像技术。其具有安全、便携、对适用人群无限制的优势,为大脑认知功能的研究提供了一... 详细信息

功能近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是新近发展起来的一种利用近红外光来检测组织血氧变化的无创新型光学脑功能成像技术。其具有安全、便携、对适用人群无限制的优势,为大脑认知功能的研究提供了一种新的检测手段。现就fNIRS技术在认知领域的研究现状进行综述。

关键词：功能近红外光谱成像认知功能血氧响应

基于功能近红外光谱成像的抑郁症患者自动识别

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基于功能近红外光谱成像的抑郁症患者自动识别

作者：杜炜龙北京理工大学

学位级别：硕士

进入新世纪以来,随着经济社会快速发展,生活压力不断增大,抑郁症等精神疾病越来越多地困扰着人们,而且抑郁症的诊断准确率比较低,市级以上综合医院对抑郁症的识别准确率低于20%。功能近红外光谱成像技术诞生后,抑郁症等精神疾病的诊断... 详细信息

进入新世纪以来,随着经济社会快速发展,生活压力不断增大,抑郁症等精神疾病越来越多地困扰着人们,而且抑郁症的诊断准确率比较低,市级以上综合医院对抑郁症的识别准确率低于20%。功能近红外光谱成像技术诞生后,抑郁症等精神疾病的诊断迎来了新的契机。医生可以根据功能近红外光谱成像数据利用临床经验来进行抑郁症的诊断,确诊率得到了提高。然而,如果能对抑郁症患者和正常被试者的近红外光谱信号进行分析和处理,实现抑郁症患者的自动识别,对进一步提高抑郁症的确诊率和摆脱对临床经验的依赖具有重要意义。本论文首次从时域和频域两个空间分别提取了脑功能近红外光谱成像信号的特征,并使用支持向量机进行了分类器的训练和测试。本论文主要工作如下:(1)为了消除基线漂移和高频噪声对原始数据的影响,首先使用傅里叶变换对信号进行频谱分析,得到信号所在频段,然后根据该频段设计带通滤波器对处于该频段之外的信号成分进行过滤,达到数据预处理的目的,提高了数据的信噪比。(2)抑郁症患者和正常被试者脑功能近红外光谱成像信号特征提取。本论文分别从频域和时域两个空间提取了两类信号的特征。在频域空间,使用基于小波包分解的小波包能量特征提取方法,提取信号在不同频率上的小波包能量特征,这种频域特征能从本质上揭示信号的特性;在时域空间,使用一般线性模型对功能近红外光谱成像数据进行拟合,提取能反映信号时域特征的β系数作为特征。(3)基于支持向量机的分类器训练。本论文使用支持向量机算法包进行分类器的训练,首先对提取的特征向量格式化为支持向量机所支持的格式,然后经过归一化、核函数选择、交叉验证选取最优参数等步骤得到训练器。最后,对训练的分类器使用测试集进行测试,测试集首先要格式化为支持向量机支持的格式,然后输入到分类器中,输出即为该分类器的准确率。本论文中,经过测试,该分类器对抑郁症的诊断准确率率在85%以上,得到了预期的研究目标。这也为抑郁症的诊断提供了客观数据的支持,大大提高了医生对抑郁症的诊断正确率,实现了抑郁症患者的自动判别。

关键词：功能近红外光谱成像一般线性模型小波包分解 SVM 抑郁症

基于功能近红外光谱成像的协调运动想象识别研究

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现代电子技术 2023年第17期46卷 61-65页

作者：李梦琪许博俊刘化东昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650500

基于功能近红外光谱成像的脑机接口(fNIRS-BCI)是一种较为新颖的脑机交互技术。为了探究不同肢体协调运动想象血液动力学信号的可分性以及不同组合特征的分类效果,研究采集了10名健康受试者站立、行走想象以及休息状态的血液动力学信号... 详细信息

基于功能近红外光谱成像的脑机接口(fNIRS-BCI)是一种较为新颖的脑机交互技术。为了探究不同肢体协调运动想象血液动力学信号的可分性以及不同组合特征的分类效果,研究采集了10名健康受试者站立、行走想象以及休息状态的血液动力学信号,提取了氧合血红蛋白(HbO2)信号的均值、峰值、均方根、方差和标准差的组合作为分类特征。构建了基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的分类模型,对站立、行走想象和休息状态的HbO2进行了测量和分类。试验结果表明,均值&峰值、均值&均方根、标准差&均值、方差&均方根的分类准确率明显高于其他组合特征,分别为77.3%±5.5%、74.8%±6.1%、71.7%±6.5%和73%±3.9%。这表明多个肢体的协调运动想象具有可分性,有望为fNIRS-BCI控制外部设备增加新的指令,该研究可能为fNIRS-BCI在下肢康复的应用提供帮助。

关键词：脑机接口功能近红外光谱成像协调运动想象特征组合分类识别最小二乘支持向量机下肢康复血液动力学信号响应

基于认知任务的近红外光谱成像技术在抑郁症中的研究进展

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神经疾病与精神卫生 2020年第2期20卷 116-120页

作者：张福旭张天宏刘晓华上海交通大学医学院附属精神卫生中心精神科 200030

抑郁症确切的病理生理学机制尚不清楚,近红外光谱脑功能成像技术是近年来新兴的一种基于血流动力学原理的非侵入式功能神经影像学技术,广泛应用于精神科,具有辅助诊断抑郁症的临床价值。此外,近红外光谱成像可以与其他神经调控物理治疗... 详细信息

抑郁症确切的病理生理学机制尚不清楚,近红外光谱脑功能成像技术是近年来新兴的一种基于血流动力学原理的非侵入式功能神经影像学技术,广泛应用于精神科,具有辅助诊断抑郁症的临床价值。此外,近红外光谱成像可以与其他神经调控物理治疗结合以检测大脑皮层的血流动力学及氧合状态变化,有望为相关技术参数设定及疗效预后提供有利指导。

关键词：抑郁症功能近红外光谱成像认知任务神经调控治疗综述

EEG-fNIRS技术在神经精神疾病研究中的应用进展

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中国医学物理学杂志 2024年第3期41卷 348-355页

作者：高晨洋吴凯李文豪李懿蒋知乐汪煜新陈文睿周静华南理工大学生物医学科学与工程学院广东广州511442 华南理工大学国家人体组织功能重建工程技术研究中心广东广州510006 广东省精神疾病转化医学工程技术研究中心广东广州510370 广东省老年痴呆诊断与康复工程技术研究中心广东广州510500 华南理工大学自动化学院广东广州510006 华南理工大学材料科学与工程学院广东广州510006

通过脑电图(EEG)、功能近红外光谱成像(fNIRS)、功能磁共振成像对神经精神疾病已经开展广泛的研究与应用。近年来随着技术的不断发展,EEG与fNIRS的同步采集设备被开发且逐步应用于神经精神疾病的研究中。本文首先对EEG-fNIRS设备的同步... 详细信息

通过脑电图(EEG)、功能近红外光谱成像(fNIRS)、功能磁共振成像对神经精神疾病已经开展广泛的研究与应用。近年来随着技术的不断发展,EEG与fNIRS的同步采集设备被开发且逐步应用于神经精神疾病的研究中。本文首先对EEG-fNIRS设备的同步检测与数据分析技术进行简要概述,总结脑卒中、癫痫以及其他神经精神疾病研究中EEG-fNIRS的分析方法与最新发现,并探讨研究的发展方向。

关键词：脑卒中癫痫神经精神疾病脑电图功能近红外光谱成像综述

中国式摔跤对大学生执行功能影响的fNIRS研究

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中国式摔跤对大学生执行功能影响的fNIRS研究

作者：夏高银吉林体育学院

学位级别：硕士

研究目的:执行功能(Executive Functions)是指服务于目标导向行为的一系列认知能力,它对个体多方面发展有着重要意义。执行功能与心理健康两者之间有着密不可分的关系:执行功能的强弱影响着个体的情绪,执行功能较强的人会表现比较较高... 详细信息

研究目的:执行功能(Executive Functions)是指服务于目标导向行为的一系列认知能力,它对个体多方面发展有着重要意义。执行功能与心理健康两者之间有着密不可分的关系:执行功能的强弱影响着个体的情绪,执行功能较强的人会表现比较较高的自我控制能力,执行功能稍弱的群体则恰恰相反。大量的研究探讨了中国式摔跤的健身功能、技术动作和文化传承,但是它的健脑功能研究较少,特别是它对执行功能影响的研究。因此,本文将通过近红外监测注意网络测试任务过程中各个脑区血氧变化,对中国式摔跤对大学生执行功能的影响进行探讨。研究方法:选取45名大学生,其中学习掌握中国式摔跤技能的25名被试通过技能水平分为专业甲组10人和专业乙组15人,其中20名非运动员作为对照组。对其进行LANT-R范式注意网络功能测试,同时采用f NIRS实时监测被试各脑区氧合血红蛋白的变化。研究结论:1.中国式摔跤的学习可以改善大学生执行控制能力,行为学的表现为对认知处理的准确率上。2.中国式摔跤的学习可以优化大学生执行功能,主要表现在执行控制网络的优化上,可能源自于r DLPFC脑区神经的高度激活。3.中国式摔跤可以提高大学生执行功能效率,执行功能效率与中国式摔跤水平呈正比。4.中国式摔跤高水平在双重线索和无线索条件下优异的执行控制能力可能源自r IFG脑区神经的高度激活。5.与对照组相比r DLPFC脑区神经的高度激活,表明中国式摔跤的学习对大脑具有一定的积极作用,即中国式摔跤具有健脑功能。

关键词：中国式摔跤执行控制网络执行控制效率执行功能功能近红外光谱成像

应用于fNIRS系统的近红外光多通道频分复用发射技术

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应用于fNIRS系统的近红外光多通道频分复用发射技术

作者：蔡正辰兰州大学

学位级别：硕士

神经科学研究中,一个十分重要的研究目标就是理解人脑在运动和执行认知任务等活动背后的神经机制。功能近红外光谱成像技术作为检测大脑活动的手段之一在近十年中得到了长足的发展,这种技术十分适用于连续监控大脑动态活动。近红外光谱... 详细信息

神经科学研究中,一个十分重要的研究目标就是理解人脑在运动和执行认知任务等活动背后的神经机制。功能近红外光谱成像技术作为检测大脑活动的手段之一在近十年中得到了长足的发展,这种技术十分适用于连续监控大脑动态活动。近红外光谱成像技术具有一种非侵入,安全而且可以实现便携功能的特点。在过去十年中,随着研究人员对于大脑在运动和认知任务活动兴趣的增加,这一技术得到了广泛的应用。近红外光谱成像技术利用特定波长的光检测大脑皮层的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化信号。本文基于功能近红外光谱检测技术,论述了多通道频分复用近红外光发射技术的研发。本论文的研究进展和成果包括:1)基于连续波型功能近红外光谱检测设备,论述了功能近红外成像原理。其中包括近红外光在大脑中的传播模式和Beer-Lambert定律。结合这些原理,对应用于功能近红外成像设备的多通道频分复用近红外光发射技术实现方案进行了总体论述2)从系统需求的角度出发,论述了多通道频分复用近红外光发射技术的各子模块设计过程和实现方案。其中包括负责发生近红外光源调制信号的光源调制信号发生模块,光源选取和光源特性以及光源驱动电路,将光源耦合进入光纤的耦合系统以及传输光源到大脑和将大脑出射的光传入光电转换模块的光纤,发射技术整体的通道扩展方案以及和其它模块的配合及控制方案。

关键词：功能近红外光谱成像直接数字频率合成频分复用近红外光源

共情在社会互动提取中的作用：第二人称的视角

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共情在社会互动提取中的作用：第二人称的视角

作者：李婧文天津师范大学

学位级别：硕士

人类是社会性动物。在日常生活中,人们经常就过往的经历或已经获得的信息与他人进行交流和分享,并最终形成群体内共享的集体记忆。共情作为一种了解社会中的他人、与他人进行互动的根本的能力,通常在社会互动提取的过程中发挥着重要的... 详细信息

人类是社会性动物。在日常生活中,人们经常就过往的经历或已经获得的信息与他人进行交流和分享,并最终形成群体内共享的集体记忆。共情作为一种了解社会中的他人、与他人进行互动的根本的能力,通常在社会互动提取的过程中发挥着重要的作用。以往基于行为学的研究证据均推测,在社会互动的提取练习过程中,对目标项目进行选择性地提取能够引发听者同步地“内隐提取”。基于单脑水平的认知科学研究证实,说者在提取记忆内容时和听者在倾听说者提取内容时的大脑的神经活动表现出高度一致性。然而,不同于实验室模拟的虚假互动,现实生活中的记忆提取常常发生在实时双向的社会互动过程中。因此,本研究采用第二人称视角,在双脑水平上探究共情对社会互动提取结果的影响,进一步从群体脑水平上考察互动提取过程中的脑机制。本研究采用双人互动提取范式,结合基于功能近红外光谱成像(f NIRS)的超扫描技术对说者和听者互动双方前额叶大脑皮层和右侧颞顶联合区大脑皮层的神经活动进行了同步记录。实验开始前,采用共情商数问卷(the Empathy Quotient,EQ)来测量被试的特质共情。最终回忆测试后,对互动双方相关类别项目的回忆提取正确率进行评估。行为学结果显示,在双人互动提取范式下,说者和听者双方的共情能力越高,他们对相关类别项目的记忆准确性越高。脑成像结果显示,相比于静息态脑活动,说者和听者双方在互动提取过程中右侧颞顶联合区出现了脑间活动同步性增强的结果。更为重要的是,将行为结果与成像结果相结合发现,这种和社会互动提取有关的脑间同步性的增强在互动双方共情能力对记忆准确性的影响中起到了完全中介的作用。以上结果不仅表明了在实时双向的社会互动过程中,说者和听者双方的特质共情能力能够对社会互动提取练习的结果产生正向影响,同时为我们理解社会互动中记忆提取的群体脑机制提供了实证依据。此外,本研究结果为脑间活动同步性作为一种测量两个互动大脑之间关系的重要的神经标记,在动态的社会互动研究中具有重要意义提供了支持性证据。

关键词：互动提取共情能力第二人称视角脑间活动同步性功能近红外光谱成像

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一体化便携式脑血氧检测系统与性能验证

一体化便携式脑血氧检测系统与性能验证

作者：赵瑞瑞电子科技大学

学位级别：硕士

人脑血液动力学的大量研究带动其测量技术的提升,尤其是功能近红外光谱成像系统(fNIRS)的研究,目前已经研制出应用于不同神经科学的设备。然而,国际上已有的fNIRS系统大多由一套大型设备作为信号的驱动控制单元,外加一台主机接收、显示... 详细信息

人脑血液动力学的大量研究带动其测量技术的提升,尤其是功能近红外光谱成像系统(fNIRS)的研究,目前已经研制出应用于不同神经科学的设备。然而,国际上已有的fNIRS系统大多由一套大型设备作为信号的驱动控制单元,外加一台主机接收、显示和保存数据,此系统的缺点是设备庞大,成本高。为了实现fNIRS系统的便携式,无需计算机的直接介入,本实验室自主研发了一套8通道fNIRS系统。本系统以ARM为控制中心,代替以前计算机接收、显示和保存数据的功能,串口屏作为用户界面显示参数配置和数据显示。本文主要针对系统的一体化设计和为保证系统的性能所做的验证性实验做主要介绍。一体化设计主要是利用ARM控制串口显示屏,在keil uVision4开发平台进行软件设计,通过ARM控制数据的传输,实现系统5大功能模块的设计。5大功能主要有区域拓扑图显示,通道曲线显示,参数配置,峰值检测,通道连接等,通过串口或USB下载至系统,成功实现预期要求。本文从phantom模型实验和人体实验验证系统的性能,phantom模型有效验证了系统的稳定性,可重复性和可靠性。人体实验包括动手指任务和视觉刺激任务,通过两种任务证明了系统的可行性,动手指任务中,分别从时间和空间维度分析受试者动右手时,相应左脑运动区血氧含量的变化,结果显示左脑运动区氧合血红蛋白变化量增加,还原血红蛋白的变化量减少,实验结果与已有的典型血流动力学结果相一致;视觉刺激任务从左右眼的对比性测试中得出有效的血液动力学结果。从上述可知,本实验室研制的系统具有良好的时间和空间动力学特征,证明了本系统检测脑血氧含量的可行性,具有潜在的临床应用价值。

关键词：一体化功能近红外光谱成像性能验证模型实验