本發(fā)明涉及一種信號提取方法，具體涉及近紅外腦功能信號處理方法。

背景技術(shù)：

連續(xù)波近紅外光譜技術(shù)可通過檢測大腦皮層中的還原血紅蛋白濃度和氧合血紅蛋白的變化信息，提供腦功能活動過程中的大腦皮層血氧變化信息，從而用于腦功能活動響應(yīng)檢測。與正電子放射斷層掃描、功能性磁共振成像、腦電檢測等腦功能檢測方法相比，近紅外光譜技術(shù)具有非侵入、易實施、安全性好等優(yōu)點。

在利用近紅外光譜技術(shù)對腦功能活動進行檢測時，需要利用修正郎伯比爾定律對光源檢測器獲取的光密度變化量的時間序列信號進行處理，從而得到氧合血紅蛋白濃度變化時間信號和還原血紅蛋白濃度變化時間信號。但是，修正郎伯比爾定律中所使用的差分路徑因子通常為文獻中的參考值，該數(shù)值與實際測試對象的真實差分路徑因子之間通常是存在誤差，同時測量得到的光密度變化量時間序列信號中也存在著測量誤差干擾，從而導(dǎo)致通過修正郎伯比爾定律直接解算得到的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號和還原血紅蛋白濃度變化時間信號中存在著誤差干擾，導(dǎo)致后續(xù)對腦灰質(zhì)層中的近紅外腦功能活動響應(yīng)信號的檢測提取精度低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)對腦灰質(zhì)層中的近紅外腦功能活動響應(yīng)信號檢測提取精度低的問題，從而提出了基于總體最小二乘法的近紅外腦功能信號處理方法。

上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

步驟一：在待測腦組織頭皮表面放置一個由光源s與檢測器d所構(gòu)成的近紅外探頭，光源s與檢測器d之間的直線距離為r，光源s發(fā)出的近紅外光的波長分別為λ1、λ2、λ3、λ4和λ5，檢測器d用于獲取大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強和大腦誘發(fā)激勵狀態(tài)下的漫反射光強，從而獲得五個不同波長的近紅外光在距離檢測器d相同距離r下的光密度變化量的時間信號：和

其中，t為采樣時刻，t＝1,2,…,n，n為正整數(shù)(此處表示t的取值范圍是從1到n)；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

步驟二：采用修正郎伯比爾定律對步驟一獲得的五個不同波長的近紅外光在距離檢測器d相同距離r下的光密度變化量的時間信號構(gòu)建方程組，具體方程組表示為：

其中，εhhb(λ1)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ2)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ3)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ4)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ5)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；δ[hbo2](t)為檢測器d處的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號；δ[hhb](t)為檢測器d處的還原血紅蛋白濃度變化時間信號；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時差分路徑因子；

步驟三：將步驟二中的方程組改寫為如下的矩陣形式：

bz＝0

其中，

b為增廣矩陣，z為待求解矩陣；

步驟四：對步驟三中的增廣矩陣b進行奇異值分解，即將增廣矩陣b分解，表示為：b＝uσv^h

其中，矩陣為增廣矩陣b的左奇異向量矩陣，數(shù)據(jù)uij為矩陣u第i行第j列對應(yīng)元素，i,j＝1,2,3,4,5；矩陣為增廣矩陣b的右奇異向量矩陣，數(shù)據(jù)vkl為矩陣v第k行第l列對應(yīng)元素，k,l＝1,2,3；矩陣為對角矩陣，對角元素σ1、σ2和σ3為增廣矩陣b的奇異值；

步驟五：利用步驟四中求取的矩陣v中第三列的對應(yīng)元素，得到檢測器d處的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號和檢測器d處的還原血紅蛋白濃度變化時間信號的總體最小二乘解；分別表示為：

δ[hbo2]tls(t)為檢測器d處的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號的總體最小二乘解；δ[hhb]tls(t)為檢測器d處的還原血紅蛋白濃度變化時間信號的總體最小二乘解。

發(fā)明效果

本發(fā)明提出基于總體最小二乘法的近紅外腦功能信號處理方法，采用修正郎伯比爾定律求解氧合血紅蛋白濃度變化時間信號和還原血紅蛋白濃度變化時間信號時，不考慮噪聲信號干擾和分路徑因子偏差影響，通過采用5組不同的近紅外波長所得到的光強信號來構(gòu)建超定方程組，并利用總體最小二乘法來求解該方程，總體最小二乘法同時綜合考慮了測量數(shù)據(jù)誤差干擾以及差分路徑因子參數(shù)偏差對解算結(jié)果的影響，可有效抑制誤差干擾，實現(xiàn)對誤差干擾下的真實近紅外腦功能活動信號的高精度檢測，更適用于實際應(yīng)用中的近紅外腦功能活動信號處理分析。解決了由于修正郎伯比爾定律中使用的差分路徑因子文獻參考值與真實值之間存在偏差以及測量光強變化信號中存在噪聲信號干擾使得利用修正修正郎伯比爾定律解算得到的腦功能活動響應(yīng)信號存在誤差干擾，進而導(dǎo)致后續(xù)對腦灰質(zhì)層中的近紅外腦功能活動響應(yīng)信號檢測提取精度低的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中采用的單距離近紅外腦功能活動檢測探頭與五層腦組織模型結(jié)構(gòu)示意圖，其中s表示光源，d表示光源檢測器，r表示光源s與檢測器d之間的直線距離，l1為頭皮，l2為顱骨，l3為腦脊髓液，l4為腦灰質(zhì)，l5為腦白質(zhì)。

圖2是本發(fā)明流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1、圖2說明本實施方式，本實施方式的基于總體最小二乘法的近紅外腦功能信號處理方法，具體是按照以下步驟實現(xiàn)的：

步驟一：在待測腦組織頭皮表面放置一個由五波長光源s與檢測器d所構(gòu)成的近紅外探頭，光源s與檢測器d之間的直線距離為r，光源s發(fā)出的近紅外光的波長分別為λ1、λ2、λ3、λ4和λ5，檢測器d用于獲取大腦安靜狀態(tài)下的漫反射光強和大腦誘發(fā)激勵狀態(tài)下的漫反射光強，從而獲得五個不同波長的近紅外光在距離檢測器d相同距離r下的光密度變化量的時間信號：和安靜狀態(tài)是指大腦在不進行思考，保持休息情況下的狀態(tài)；腦誘發(fā)激勵狀態(tài)是指大腦在響應(yīng)外界刺激進行思考動情況下的狀態(tài)。

其中，t為采樣時刻，t＝1,2,…,n，n為正整數(shù)(此處表示t的取值范圍是從1到n)；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時，檢測器d獲得的光密度變化量時間信號；

步驟二：采用修正郎伯比爾定律對步驟一獲得的五個不同波長的近紅外光在距離檢測器d相同距離r下的光密度變化量的時間信號構(gòu)建方程組，具體方程組表示為：

其中，εhhb(λ1)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ2)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ3)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ4)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；εhhb(λ5)為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時的還原血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時的氧合血紅蛋白消光系數(shù)；δ[hbo2](t)為檢測器d處的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號；δ[hhb](t)為檢測器d處的還原血紅蛋白濃度變化時間信號；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ1時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ2時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ3時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ4時的差分路徑因子；為光源s發(fā)出近紅外光的波長為λ5時差分路徑因子；

步驟三：將步驟二中的方程組改寫為如下的矩陣形式：

bz＝0

其中，

b為增廣矩陣，z為待求解矩陣；

步驟四：對步驟三中的增廣矩陣b進行奇異值分解，即將增廣矩陣b分解，表示為：b＝uσv^h

其中，矩陣為增廣矩陣b的左奇異向量矩陣，數(shù)據(jù)uij為矩陣u第i行第j列對應(yīng)元素，i,j＝1,2,3,4,5；矩陣為增廣矩陣b的右奇異向量矩陣，數(shù)據(jù)vkl為矩陣v第k行第l列對應(yīng)元素，k,l＝1,2,3；矩陣為對角矩陣，對角元素σ1、σ2和σ3為增廣矩陣b的奇異值；

步驟五：利用步驟四中求取的矩陣v中第三列的對應(yīng)元素，得到檢測器d處的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號和檢測器d處的還原血紅蛋白濃度變化時間信號的總體最小二乘解；分別表示為：

式中，δ[hbo2]tls(t)為檢測器d處的氧合血紅蛋白濃度變化時間信號的總體最小二乘解；δ[hhb]tls(t)為檢測器d處的還原血紅蛋白濃度變化時間信號的總體最小二乘解。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一中5mm≤r≤40mm；

其中，r表示光源s與檢測器d之間的直線距離。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一至二之一不同的是：所述r為5mm。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至二之一相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至二之一不同的是：所述r為40mm。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至二之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟一中光源s發(fā)出的近紅外光的波長λ1為670nm、λ2為770nm、λ3為810nm、λ4為850nm、λ5為950nm。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。