多動癥兒童fNIRS信號分析方法的研究及系統(tǒng)的研制.pdf

1、在我國，相當(dāng)大數(shù)量的少年兒童飽受不同程度的腦功能發(fā)育異常與認(rèn)知功能障礙的困擾，其嚴(yán)重影響了學(xué)齡兒童的學(xué)習(xí)和社交能力。因此，早期鑒別少年兒童腦功能發(fā)育異常與認(rèn)知功能障礙并進(jìn)行早期有效干預(yù)，是我國迫切需要解決的社會問題。功能近紅外光譜(functional near infrared spectroscopy, fNIRS)作為一種非侵入性光學(xué)腦成像技術(shù)，測量大腦血氧代謝活動，憑借高生態(tài)效度、便攜和長時(shí)間采集等優(yōu)勢，非常適合在少年兒童等群體

2、中應(yīng)用。然而，fNIRS的分析方法明顯滯后于功能核磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)、腦電圖(electroencephalography，EEG)等技術(shù)的分析方法，并且我國的fNIRS設(shè)備主要依賴于進(jìn)口。為了促進(jìn)fNIRS在我國少年兒童腦功能發(fā)育異常與認(rèn)知功能障礙等領(lǐng)域的研究，尤其是在注意缺陷多動障礙(簡稱多動癥，Attention-deficit/hyperactivity

3、 disorder, ADHD)兒童診斷中的應(yīng)用，本文主要從發(fā)展fNIRS的分析方法、開發(fā)fNIRS檢測設(shè)備和研究相應(yīng)的干預(yù)技術(shù)改善大腦的認(rèn)知功能三個(gè)方面展開研究。
　　首先，根據(jù) fNIRS信號非線性和非穩(wěn)態(tài)性的特點(diǎn)，本文提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法的運(yùn)動噪聲去除方法。該方法充分利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解有效地分離開運(yùn)動噪聲信號和生理信號，提高對 fNIRS信號中運(yùn)動噪聲去除的精確性。經(jīng)過與其他三種常用的運(yùn)動噪聲去除方法的比較，結(jié)果顯示

4、該方法能夠顯著降低均方誤差和提高信噪比，是一種穩(wěn)定、有效的運(yùn)動噪聲去除方法。
　　其次，采用排序熵方法分析多動癥兒童的fNIRS信號復(fù)雜度以及復(fù)雜度與皮層激活程度之間的關(guān)系。該方法計(jì)算效率高、對數(shù)據(jù)長度不敏感，非常適合 fNIRS信號的特點(diǎn)。研究結(jié)果顯示，在做n-back任務(wù)時(shí)，fNIRS信號的復(fù)雜度與大腦皮層的的激活程度呈負(fù)相關(guān)，與多動指數(shù)呈正相關(guān)；在大腦右側(cè)的背外側(cè)前額葉處，多動癥兒童的fNIRS信號復(fù)雜度要顯著高于健康對照兒

5、童。這表明，fNIRS信號的復(fù)雜度是一種識別多動癥兒童的潛在生物標(biāo)記。
　　再次，基于大腦活動的空間模式，提出了兩種 fNIRS信號的多變量分析方法：多變量模式分析和偏最小二乘法。多變量模式分析能以93.6％的總體分類正確率識別出多動癥兒童和健康對照兒童，并且發(fā)現(xiàn)多動癥兒童的兩側(cè)背外側(cè)前額葉、前額葉中下部、右后側(cè)和右側(cè)顳葉的大腦活動相較于健康對照兒童發(fā)生了變化。偏最小二乘法發(fā)現(xiàn)兩側(cè)背外側(cè)前額葉，以及部分腹外側(cè)前額葉和右側(cè)顳葉的大腦

6、活動會隨著工作記憶負(fù)荷的變化而變化。在1-back條件下，健康對照組在這些區(qū)域的大腦活動要強(qiáng)于多動癥組。背外側(cè)前額葉和部分右側(cè)顳葉的大腦活動越強(qiáng)，被試做任務(wù)的正確率越高、反應(yīng)時(shí)間越快。結(jié)果表明，這兩種 fNIRS信號的多變量分析方法有希望應(yīng)用于多動癥兒童的臨床診斷中。
　　最后，針對國內(nèi)現(xiàn)有的fNIRS系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口產(chǎn)品的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套低成本、便攜式的fNIRS采集系統(tǒng)，并開發(fā)了配套的采集和分析軟件。分析軟件集成了fNIRS研