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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710335261.2 (22)申请日 2017.05.12 (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 刘昕 刘丹 张岩 王启松 孙金玮 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 杨立超 (51)Int.Cl. A61B 5/00(2006.01) (54)发明名称 基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号 处理方法 (57)摘要 基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号 处理方法， 。
2、本发明涉及近红外脑功能信号处理方 法。 本发明目的是为了解决现有技术对脑灰质层 中的近红外脑功能活动响应信号检测提取精度 低的问题。 过程为： 一： 获得五个不同波长的近红 外光在距离检测器D相同距离R下的光密度变化 量的时间信号； 二： 采用修正郎伯比尔定律对步 骤一获得的五个不同波长的近红外光在距离检 测器D相同距离R下的光密度变化量的时间信号 构建方程组； 三： 将步骤二中的方程组改写为如 下的矩阵形式； 四： 对三中的增广矩阵B进行奇异 值分解； 五： 得到检测器处的氧合血红蛋白浓度 变化时间信号和检测器处的还原血红蛋白浓度 变化时间信号的总体最小二乘解。 本发明用于信 号提取领域。 。
3、权利要求书3页 说明书6页 附图1页 CN 107174204 A 2017.09.19 CN 107174204 A 1.基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法， 其特征在于： 该方法具体过程 为： 步骤一： 在待测脑组织头皮表面放置一个由光源S与检测器D所构成的近红外探头， 光 源S与检测器D之间的直线距离为R， 光源S发出的近红外光的波长分别为 1、 2、 3、 4和 5， 检 测器D用于获取大脑安静状态下的漫反射光强和大脑诱发激励状态下的漫反射光强， 从而 获得五个不同波长的近红外光在距离检测器D相同距离R下的光密度变化量的时间信号： 和 其中， t为采样时刻， t1,2,N， 。
4、N为正整数； 为光源S发出近红外光的波长为 1时， 检测器D获得的光密度变化量时间信号； 为光源S发出近红外光的波长为 2时， 检测器D获得的光密度变化量时间信号； 为光源S发出近红外光的波长为 3时， 检测器D获得的光密度变化量时间信号； 为光源S发出近红外光的波长为 4时， 检测器D获得的光密度变化量时间信号； 为光源S发出近红外光的波长为 5时， 检测器D获得的光密度变化量时间信号； 步骤二： 采用修正郎伯比尔定律对步骤一获得的五个不同波长的近红外光在距离检测 器D相同距离R下的光密度变化量的时间信号构建方程组， 具体方程组表示为： 其中， HHb( 1)为光源S发出近红外光的波长为 1。
5、时的还原血红蛋白消光系数； HHb( 2) 为光源S发出近红外光的波长为 2时的还原血红蛋白消光系数；HHb( 3)为光源S发出近红外 光的波长为 3时的还原血红蛋白消光系数； HHb( 4)为光源S发出近红外光的波长为 4时的 还原血红蛋白消光系数； HHb( 5)为光源S发出近红外光的波长为 5时的还原血红蛋白消光 系数；为光源S发出近红外光的波长为 1时的氧合血红蛋白消光系数；为光 源S发出近红外光的波长为 2时的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光 的波长为 3时的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 4时的氧 合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 5时。
6、的氧合血红蛋白消光系 数； HbO2(t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信号； HHb(t)为检测器D处 的还原血红蛋白浓度变化时间信号；为光源S发出近红外光的波长为 1时的差分路径 因子；为光源S发出近红外光的波长为 2时的差分路径因子；为光源S发出近红 外光的波长为 3时的差分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为 4时的差分路径 因子；为光源S发出近红外光的波长为 5时差分路径因子； 步骤三： 将步骤二中的方程组改写为如下的矩阵形式： Bz0 权 利 要 求 书 1/3 页 2 CN 107174204 A 2 其中， B为增广矩阵， z为待求解矩阵； 步骤四： 对步骤三中的增广。
7、矩阵B进行奇异值分解， 即将增广矩阵B分解， 表示为： BU VH 其中， 矩阵为增广矩阵B的左奇异向量矩阵， 数据uij为矩 阵U第i行第j列对应元素， i,j1,2,3,4,5； 矩阵为增广矩阵B的右奇异 向量矩阵， 数据vkl为矩阵V第k行第l列对应元素， k,l1,2,3； 矩阵为对角 矩阵， 对角元素 1、 2和 3为增广矩阵B的奇异值； 步骤五： 利用步骤四中求取的矩阵V中第三列的对应元素， 得到检测器D处的氧合血红 蛋白浓度变化时间信号和检测器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小二乘 解； 分别表示为： 式中， HbO2TLS(t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信。
8、号的总体最小二乘 解； HHbTLS(t)为检测器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小二乘解。 2.根据权利要求1所述基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法， 其特征在 于： 所述步骤一中5mmR40mm； 其中， R表示光源S与检测器D之间的直线距离。 3.根据权利要求2所述基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法， 其特征在 于： 所述R为5mm。 4.根据权利要求2所述基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法， 其特征在 于： 所述R为40mm。 5.根据权利要求4所述基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法， 其特征在 权 利 要 求 书 2/3 页 3 CN。
9、 107174204 A 3 于： 所述步骤一中光源S发出的近红外光的波长 1为670nm、 2为770nm、 3为810nm、 4为 850nm、 5为950nm。 权 利 要 求 书 3/3 页 4 CN 107174204 A 4 基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法 技术领域 0001 本发明涉及一种信号提取方法， 具体涉及近红外脑功能信号处理方法。 背景技术 0002 连续波近红外光谱技术可通过检测大脑皮层中的还原血红蛋白浓度和氧合血红 蛋白的变化信息， 提供脑功能活动过程中的大脑皮层血氧变化信息， 从而用于脑功能活动 响应检测。 与正电子放射断层扫描、 功能性磁共振成像、 。
10、脑电检测等脑功能检测方法相比， 近红外光谱技术具有非侵入、 易实施、 安全性好等优点。 0003 在利用近红外光谱技术对脑功能活动进行检测时， 需要利用修正郎伯比尔定律对 光源检测器获取的光密度变化量的时间序列信号进行处理， 从而得到氧合血红蛋白浓度变 化时间信号和还原血红蛋白浓度变化时间信号。 但是， 修正郎伯比尔定律中所使用的差分 路径因子通常为文献中的参考值， 该数值与实际测试对象的真实差分路径因子之间通常是 存在误差， 同时测量得到的光密度变化量时间序列信号中也存在着测量误差干扰， 从而导 致通过修正郎伯比尔定律直接解算得到的氧合血红蛋白浓度变化时间信号和还原血红蛋 白浓度变化时间信号。
11、中存在着误差干扰， 导致后续对脑灰质层中的近红外脑功能活动响应 信号的检测提取精度低。 发明内容 0004 本发明目的是为了解决现有技术对脑灰质层中的近红外脑功能活动响应信号检 测提取精度低的问题， 从而提出了基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法。 0005 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的： 0006 步骤一： 在待测脑组织头皮表面放置一个由光源S与检测器D所构成的近红外探 头， 光源S与检测器D之间的直线距离为R， 光源S发出的近红外光的波长分别为 1、 2、 3、 4 和 5， 检测器D用于获取大脑安静状态下的漫反射光强和大脑诱发激励状态下的漫反射光 强， 从而获得五个不同。
12、波长的近红外光在距离检测器D相同距离R下的光密度变化量的时间 信号：和 0007 其中， t为采样时刻， t1,2,N， N为正整数(此处表示t的取值范围是从1到N)； 0008为光源S发出近红外光的波长为 1时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0009为光源S发出近红外光的波长为 2时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0010为光源S发出近红外光的波长为 3时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0011为光源S发出近红外光的波长为 4时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 说 明 书 1/6 页 5 CN 107174204 A 5 0012为光源S发出近红。
13、外光的波长为 5时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0013 步骤二： 采用修正郎伯比尔定律对步骤一获得的五个不同波长的近红外光在距离 检测器D相同距离R下的光密度变化量的时间信号构建方程组， 具体方程组表示为： 0014 0015 其中， HHb( 1)为光源S发出近红外光的波长为 1时的还原血红蛋白消光系数； HHb ( 2)为光源S发出近红外光的波长为 2时的还原血红蛋白消光系数；HHb( 3)为光源S发出近 红外光的波长为 3时的还原血红蛋白消光系数； HHb( 4)为光源S发出近红外光的波长为 4 时的还原血红蛋白消光系数； HHb( 5)为光源S发出近红外光的波长为 5时。
14、的还原血红蛋白 消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 1时的氧合血红蛋白消光系数； 为光源S发出近红外光的波长为 2时的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红 外光的波长为 3时的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 4时 的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 5时的氧合血红蛋白消 光系数； HbO2(t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信号； HHb(t)为检测 器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号；为光源S发出近红外光的波长为 1时的差 分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为 2时的差分路径因子；为光源S发 出近红外光的波长为 3时的差分路径因子；为。
15、光源S发出近红外光的波长为 4时的差 分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为 5时差分路径因子； 0016 步骤三： 将步骤二中的方程组改写为如下的矩阵形式： 0017 Bz0 0018其中， 0019 B为增广矩阵， z为待求解矩阵； 0020 步骤四： 对步骤三中的增广矩阵B进行奇异值分解， 即将增广矩阵B分解， 表示为： B UVH 说 明 书 2/6 页 6 CN 107174204 A 6 0021其中， 矩阵为增广矩阵B的左奇异向量矩阵， 数据uij 为矩阵U第i行第j列对应元素， i,j1,2,3,4,5； 矩阵为增广矩阵B的右奇 异向量矩阵， 数据vkl为矩阵V第k行第l列对。
16、应元素， k,l1,2,3； 矩阵为对 角矩阵， 对角元素 1、 2和 3为增广矩阵B的奇异值； 0022 步骤五： 利用步骤四中求取的矩阵V中第三列的对应元素， 得到检测器D处的氧合 血红蛋白浓度变化时间信号和检测器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小二 乘解； 分别表示为： 0023 0024 HbO2TLS(t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小二乘 解； HHbTLS(t)为检测器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小二乘解。 0025 发明效果 0026 本发明提出基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法， 采用修正郎伯比 尔定律求解氧合血红蛋白浓。
17、度变化时间信号和还原血红蛋白浓度变化时间信号时， 不考虑 噪声信号干扰和分路径因子偏差影响， 通过采用5组不同的近红外波长所得到的光强信号 来构建超定方程组， 并利用总体最小二乘法来求解该方程， 总体最小二乘法同时综合考虑 了测量数据误差干扰以及差分路径因子参数偏差对解算结果的影响， 可有效抑制误差干 扰， 实现对误差干扰下的真实近红外脑功能活动信号的高精度检测， 更适用于实际应用中 的近红外脑功能活动信号处理分析。 解决了由于修正郎伯比尔定律中使用的差分路径因子 文献参考值与真实值之间存在偏差以及测量光强变化信号中存在噪声信号干扰使得利用 修正修正郎伯比尔定律解算得到的脑功能活动响应信号存在。
18、误差干扰， 进而导致后续对脑 灰质层中的近红外脑功能活动响应信号检测提取精度低的问题。 附图说明 0027 图1为本发明中采用的单距离近红外脑功能活动检测探头与五层脑组织模型结构 示意图， 其中S表示光源， D表示光源检测器， R表示光源S与检测器D之间的直线距离， L1为头 皮， L2为颅骨， L3为脑脊髓液， L4为脑灰质， L5为脑白质。 0028 图2是本发明流程图。 说 明 书 3/6 页 7 CN 107174204 A 7 具体实施方式 0029 具体实施方式一： 结合图1、 图2说明本实施方式， 本实施方式的基于总体最小二乘 法的近红外脑功能信号处理方法， 具体是按照以下步骤实。
19、现的： 0030 步骤一： 在待测脑组织头皮表面放置一个由五波长光源S与检测器D所构成的近红 外探头， 光源S与检测器D之间的直线距离为R， 光源S发出的近红外光的波长分别为 1、 2、 3、 4和 5， 检测器D用于获取大脑安静状态下的漫反射光强和大脑诱发激励状态下的漫反 射光强， 从而获得五个不同波长的近红外光在距离检测器D相同距离R下的光密度变化量的 时间信号：和安静状态是指大脑在不 进行思考， 保持休息情况下的状态； 脑诱发激励状态是指大脑在响应外界刺激进行思考动 情况下的状态。 0031 其中， t为采样时刻， t1,2,N， N为正整数(此处表示t的取值范围是从1到N)； 0032。
20、为光源S发出近红外光的波长为 1时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0033为光源S发出近红外光的波长为 2时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0034为光源S发出近红外光的波长为 3时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0035为光源S发出近红外光的波长为 4时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0036为光源S发出近红外光的波长为 5时， 检测器D获得的光密度变化量时间 信号； 0037 步骤二： 采用修正郎伯比尔定律对步骤一获得的五个不同波长的近红外光在距离 检测器D相同距离R下的光密度变化量的时间信号构建方程组， 具体方程组表示为： 0038 003。
21、9 其中， HHb( 1)为光源S发出近红外光的波长为 1时的还原血红蛋白消光系数； HHb ( 2)为光源S发出近红外光的波长为 2时的还原血红蛋白消光系数；HHb( 3)为光源S发出近 红外光的波长为 3时的还原血红蛋白消光系数； HHb( 4)为光源S发出近红外光的波长为 4 时的还原血红蛋白消光系数； HHb( 5)为光源S发出近红外光的波长为 5时的还原血红蛋白 消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 1时的氧合血红蛋白消光系数； 为光源S发出近红外光的波长为 2时的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红 外光的波长为 3时的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 4时 。
22、说 明 书 4/6 页 8 CN 107174204 A 8 的氧合血红蛋白消光系数；为光源S发出近红外光的波长为 5时的氧合血红蛋白消 光系数； HbO2(t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信号； HHb(t)为检测 器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号；为光源S发出近红外光的波长为 1时的差 分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为 2时的差分路径因子；为光源S发 出近红外光的波长为 3时的差分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为 4时的差 分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为 5时差分路径因子； 0040 步骤三： 将步骤二中的方程组改写为如下的矩阵形式： 0041 Bz0。
23、 0042其中， 0043 B为增广矩阵， z为待求解矩阵； 0044 步骤四： 对步骤三中的增广矩阵B进行奇异值分解， 即将增广矩阵B分解， 表示为： B UVH 0045其中， 矩阵为增广矩阵B的左奇异向量矩阵， 数据uij 为矩阵U第i行第j列对应元素， i,j1,2,3,4,5； 矩阵为增广矩阵B的右 奇异向量矩阵， 数据vkl为矩阵V第k行第l列对应元素， k,l1,2,3； 矩阵为 对角矩阵， 对角元素 1、 2和 3为增广矩阵B的奇异值； 0046 步骤五： 利用步骤四中求取的矩阵V中第三列的对应元素， 得到检测器D处的氧合 血红蛋白浓度变化时间信号和检测器D处的还原血红蛋白浓度。
24、变化时间信号的总体最小二 乘解； 分别表示为： 0047 0048 式中， HbO2TLS(t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小 说 明 书 5/6 页 9 CN 107174204 A 9 二乘解； HHbTLS(t)为检测器D处的还原血红蛋白浓度变化时间信号的总体最小二乘解。 0049 具体实施方式二： 本实施方式与具体实施方式一不同的是： 所述步骤一中5mmR 40mm； 0050 其中， R表示光源S与检测器D之间的直线距离。 0051 其它步骤及参数与具体实施方式一相同。 0052 具体实施方式三： 本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是： 所述R为5mm。 。
25、0053 其它步骤及参数与具体实施方式一至二之一相同。 0054 具体实施方式四： 本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是： 所述R为 40mm。 0055 其它步骤及参数与具体实施方式一至二之一相同。 0056 具体实施方式五： 本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是： 所述步骤一 中光源S发出的近红外光的波长 1为670nm、 2为770nm、 3为810nm、 4为850nm、 5为950nm。 0057 其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。 说 明 书 6/6 页 10 CN 107174204 A 10 图1 图2 说 明 书 附 图 1/1 页 11 CN 107174204 A 11 。