擴展的卡爾曼濾波在近紅外光譜提取腦血流信號中的研究

劉頌陽, 劉光達, 劉卓婭, 邱吉慶， 蔡 靖,朱展鵬， 張 程, 齊 遠， 張 尚

1. 吉林大學， 吉林 長春 130061 2. 吉林大學珠海學院， 廣東 珠海 519041 3. 吉林大學第一醫院， 吉林 長春 130061

引 言

大腦作為人體的神經中樞， 是人類高級認知功能的載體。 近年來， 用于研究大腦運作機制、 疾病診斷的腦功能成像方法得到了長足的發展， 腦功能成像技術主流的方法有腦電圖(electro encephalo gram, EEG)、 腦磁圖(magneto encephalo graphy, MEG)、 功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging， FMRI)、 功能性近紅外光譜技術(functional near infrared spectroscopy, FNIRS)等。 在上述方法中， 功能性近紅外光譜技術(FNIRS)因具有較高的空間分辨率、 適中的時間分辨率、 無創費用低等優點成為腦功能成像技術研究的熱點。 各種腦成像技術優劣對比見表1。

功能性近紅外光譜技術(functional near infrared spectroscopy， fNIRS)探測腦組織活動的方式是間接方式。 大腦的各種神經活動需要氧氣， 腦部血流(Celebral blood flow)做為大腦供氧的重要渠道， 它對大腦的神經活動是十分敏感的， fNIRS正是利用探測腦血流動力學的參數變化， 來判斷腦組織的各種神經活動的。 顯而易見的是， 大腦作為人的神經中樞， 各種生理活動如心跳、 呼吸、 脈搏等都會引起神經活動， 也自然會引起腦血流動力學的參數變化， 因此， 如何從包含各種生理干擾的信號中提取腦組織神經活動信號是近紅外光譜提取腦功能信號難點。

表1 各種腦成像技術優劣對比

目前， 常見的提取近紅外光腦信號的算法有： 脈搏色素譜法[1]、 EEMD-ICA法[3]主成分分析法(PCA)[5]、 獨立成分分析法(ICA)[6]、 相干平均法[7]、 自適應濾波[8]等。 脈搏色素譜法采用注射顯影劑吲哚青綠的方式進行示蹤估計；……