[发明专利]基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法

摘要

基于总体最小二乘法的近红外脑功能信号处理方法，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。

主权项

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λ1、λ2、λ3、λ4和λ5，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，t＝1,2,…,N，N为正整数；为光源S发出近红外光的波长为λ1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λ2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λ3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λ4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λ5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：ΔODλ1(t)ΔODλ2(t)ΔODλ3(t)ΔODλ4(t)ΔODλ5(t)=ϵHbO2(λ1)DPFλ1RϵHHb(λ1)DPFλ1RϵHbO2(λ2)DPFλ2RϵHHb(λ2)DPFλ2RϵHbO2(λ3)DPFλ3RϵHHb(λ3)DPFλ3RϵHbO2(λ4)DPFλ4RϵHHb(λ4)DPFλ4RϵHbO2(λ5)DPFλ5RϵHHb(λ5)DPFλ5RΔ[HbO2](t)Δ[HHb](t)]]>其中，εHHb(λ1)为光源S发出近红外光的波长为λ1时的还原血红蛋白消光系数；εHHb(λ2)为光源S发出近红外光的波长为λ2时的还原血红蛋白消光系数；εHHb(λ3)为光源S发出近红外光的波长为λ3时的还原血红蛋白消光系数；εHHb(λ4)为光源S发出近红外光的波长为λ4时的还原血红蛋白消光系数；εHHb(λ5)为光源S发出近红外光的波长为λ5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λ1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λ2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λ3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λ4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λ5时的氧合血红蛋白消光系数；Δ[HbO2](t)为检测器D处的氧合血红蛋白浓度变化时间信号；Δ[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λ1时的差分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为λ2时的差分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为λ3时的差分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为λ4时的差分路径因子；为光源S发出近红外光的波长为λ5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：Bz＝0其中，B=-ΔODλ1(t)ϵHbO2(λ1)DPFλ1RϵHHb(λ1)DPFλ1R-ΔODλ2(t)ϵHbO2(λ2)DPFλ2RϵHHb(λ2)DPFλ2R-ΔODλ3(t)ϵHbO2(λ3)DPFλ3RϵHHb(λ3)DPFλ3R-ΔODλ4(t)ϵHbO2(λ4)DPFλ4RϵHHb(λ4)DPFλ4R-ΔODλ5(t)ϵHbO2(λ5)DPFλ5RϵHHb(λ5)DPFλ5R,z=1Δ[HbO2](t)Δ[HHb](t);]]>B为增广矩阵，z为待求解矩阵；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＝UΣVH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,j＝1,2,3,4,5；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,l＝1,2,3；矩阵为对角矩阵，对角元素σ1、σ2和σ3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：Δ[HbO2]TLS(t)=v23v13;Δ[HHb]TLS(t)=v33v13;]]>式中，Δ[HbO2]TLS(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；Δ[HHb]TLS(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。