基于Stroop色词测试及近红外脑功能成像的认知功能评估方法

基于stroop色词测试及近红外脑功能成像的认知功能评估方法
技术领域
1.本发明属于脑功能测试技术领域，尤其是一种基于stroop色词测试及近红外脑功能成像的认知功能评估方法。


背景技术：

2.人的认知功能与人脑神经网络不同脑区之间的动态功能连通和整合密切相关，脑功能网络状态主要通过脑功能连通性表征。认知任务下脑功能连通性是基于时间相关性的脑皮层中不同神经模块之间完成认知任务时的协调反应，可作为神经心理量表测评认知功能的重要补充和修正。脑功能连通性通常用氧合血红蛋白(hbo2)浓度来计算。
3.stroop色词测试是个体负责组织和控制目标导向行为的高级认知加工过程，主要考察受试者执行功能，包括注意、工作记忆、抑制控制及认知灵活性几个成分，主要与大脑前额叶有关。具体实施过程是检查以不同颜色书写代表颜色的名词时，受试者克服词义影响而辨别词色的能力。
4.如果可以清楚确定受试者stroop色词测试下脑功能连通性与其认知功能的相关关系，不但能进一步解释人脑发育及退变过程，也能为测试特定环境下人的反应能力，例如是否疲劳驾驶，是否能胜任某些高认知要求的工作等提供思路，亦为不能配合完成复杂神经心理量表测评的特殊人群提供适合的认知功能评估方法。
5.无创脑功能成像技术的发展为脑功能检测提供了重要手段。现有脑功能检测通常采用核磁共振方法，功能磁共振以其较高的空间分辨率以及能够全脑检测受到一致认可，但是，上述方法需要专门的检查室，更多用于静止状态的脑功能检查，难以实现任务态下的脑功能评定。
6.综上所述，如何快速准确地检测人的认知功能是目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、快速准确且操作简单方便的基于stroop色词测试及近红外脑功能成像的认知功能评估方法。
8.本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
9.一种基于stroop色词测试及近红外脑功能成像的认知功能评估方法，包括以下步骤：
10.步骤1、通过功能近红外成像系统获得受试者在完成stroop色词测试过程中双侧前额叶脑组织的光强数据，并且得到stroop色词测试结果；
11.步骤2、将受试者双侧前额叶脑组织的光强数据转换为脑生理信息数据，并以此计算反映脑功能连通性的双额区域强度；
12.步骤3、使用步骤1和步骤2的方法对有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者进行测试，得到该受试者的stroop色词测试结果
以及双额区域强度；
13.步骤4、比较以上受试者和正常人的stroop色词测试结果以及双额区域强度有无显著差异，并分析其与moca评分的相关性，评估受试者的认知功能。
14.进一步，所述stroop色词测试结果包括词色与词义一致及不一致情况下总计阅读数、正确阅读数和正确率。
15.进一步，所述stroop色词测试的方法如下：受试者穿戴无线功能近红外成像装备，并坐在安装有stroop色词测试程序的计算机前进行测试；受试者在测试开始前先接受练习以充分熟悉测试规则，然后进行正式测试；测试过程共包括3次词色与词义一致测试及3次不一致测试，顺序随机，受试者每次测试开始前需闭眼静息30秒，每次测试亦持续30秒，6次测试全部完成后再闭眼静息30秒至测试结束；在上述测试过程中，统计词色与词义一致及不一致情况下总计阅读数、正确阅读数和正确率，得到stroop色词测试结果。
16.进一步，所述步骤1获得双侧前额叶脑组织的光强数据的方法为：受试者穿戴无线功能近红外成像装备，其采样频率为11hz，包括6个发射端和6个接收端，组成14个通道，覆盖被试脑的前额叶；发射端发射760nm及850nm两种不同波长的光，每对发射端和接收端之间的距离为3cm；整个采样时间为6-7分钟。
17.进一步，所述步骤2的具体实现方法为：采用阈值法和带通滤波器去除运动伪迹和生理噪声，然后根据修正的beer-lambert定律将功能近红外成像系统采集到的光强数据转换为hbo2浓度，以此计算大脑双侧前额叶区域强度。
18.进一步，所述步骤2使用hbo2浓度计算双额区域强度的方法为：
19.将受试者3次相同stroop色词测试时的hbo2数据进行叠加平均以形成一个新的30秒数据，然后，以此计算每两通道之间的皮尔逊相关系数来反映彼此功能上的相关性p
uv
：
[0020][0021]
式中，u和v表示任意两个通道的hbo2浓度，cov(u,v)表示u和v的协方差，σu和σv分别表示u和v的标准差；
[0022]
将p
uv
进行费希尔z转换得到费希尔相关性z
uv
：
[0023][0024]
将通道作为节点，每一对通道之间的相关性z
uv
作为边来构造网络；
[0025]
最后，按下式计算双额区域强度rsr：
[0026][0027]
上式中，ki表示节点i的度，gr表示某区域节点的集合，nr表示该区域节点的个数。
[0028]
进一步，所述步骤4采用斯皮尔曼相关性分析评价有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者的额叶区域强度与moca评分的相关性。
[0029]
本发明的优点和积极效果是：
[0030]
本发明采用stroop色词测试和近红外脑功能成像技术评价受试任务态脑功能网
络情况，提出了将stroop色词测试下的大脑前额叶区域强度作为反映认知功能的生物标记物之一，建立了stroop色词测试下大脑前额叶区域强度与认知功能之间的明确关系，使得通过脑功能连通性评估认知功能成为可能，其测试结果准确可靠，并且测试过程简单，受试可轻松完成，受试者无需与检查者面对面，也不用如功能磁共振检查一样身体固定于检查床内及手敲击键盘，其舒适性高，无噪音干扰。
附图说明
[0031]
图1是本发明的stroop色词测试流程图；
[0032]
图2是本发明的功能近红外成像系统发射端、接收端及通道示意图；
[0033]
图3是有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者在完成词色与词义不一致stroop任务时右额区域强度与moca评分的相关性示意图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
[0035]
本发明利用近红外脑功能成像实现脑功能的检测。近红外脑功能成像是一种采用光学原理的无创神经活动成像技术，具有便于移动，抗干扰性强，兼容性好等优势，可实现多种自然场景下受试脑功能的快速检查。它是基于神经-血管耦合机制，即脑功能活动的变化会引起局部脑血流的变化。大脑皮层在激活时为满足神经元活动所必需的能量需求，局部脑血流增加，脑氧代谢增加，最终导致氧合血红蛋白(hbo2)浓度增加，脱氧血红蛋白(hbr)浓度降低。具体过程是光源向特定脑区发射近红外光(波长650-950nm)，其穿透一定深度的组织达到颅内20-30mm的深度，即脑皮层水平，而离光源一定距离的光源探测器可收集到被组织漫射回来的光。生物组织内占主导地位的吸收发色团即hbo2和hbr。二者在以上提到的光谱窗内具有可区分的光吸收特性，主要表现为hbo2的吸收系数在波长大于805nm时更高，相反，hbr的吸收系数在波长小于805nm时更高。大脑皮层血管中的hbo2和hbr对不同近红外光波段的光产生不同程度的吸收，造成近红外光衰竭。根据光衰减量与组织中发色团浓度变化的相关性可以定量分析脑组织中hbo2和hbr的浓度变化，从而一定程度上反映大脑的功能活动。
[0036]
基于上述设计思想，本发明提出一种基于stroop色词测试及近红外脑功能成像的认知功能评估方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤1、通过功能近红外成像系统获得受试者在完成stroop色词测试过程中双侧前额叶脑组织的光强数据，并且得到stroop色词测试结果，包括词色与词义一致及不一致情况下总计阅读数、正确阅读数和正确率。
[0038]
在本步骤中，在受试者进行stroop色词测试的过程中，同时获得其双侧前额叶脑组织的光强数据。其中：
[0039]
(1)受试者进行stroop色词测试的方法如下：
[0040]
在计算机内安装采用e-prime软件编写的stroop色词测试程序。受试者穿戴无线功能近红外成像装备坐在计算机屏幕前，当计算机屏幕中间出现任何一个表示颜色的词时，受试者需尽可能快的说出该词是用哪种颜色书写的，如“红”，“绿”，“黄”，“蓝”，随即屏
幕在同一检查员的控制下立即呈现出下一词。如图1所示，每个受试者在测试开始前先接受练习以充分熟悉测试规则，此部分为非正式测试。正式测试过程共包括3次词色与词义一致测试及3次不一致测试，顺序随机，受试者每次测试开始前需闭眼静息30秒，每次测试亦持续30秒，6次测试全部完成后再闭眼静息30秒至测试结束。
[0041]
上述测试过程是在安静的环境下进行，受试者需独立完成该测试，整个过程由手机录像以便完成总计阅读数、正确阅读数和正确率的统计。
[0042]
(2)获得受试者脑组织的光强数据的具体方法方式如下：
[0043]
受试者采用的是无线、轻便且灵活的可穿戴的功能近红外成像系统，其采样频率11hz，含6个发射端，6个接收端，组成14个通道，覆盖被试脑的前额叶。发射端发射760nm及850nm两种不同波长的光，每对发射端和接收端之间的距离为3cm。整个采样时间为6-7分钟。需说明的是，采样频率和采样时间可以由本领域技术人员根据实际需要确定，本实施例只是给出一个优选值。
[0044]
步骤2、将受试者双侧前额叶脑组织的光强数据转换为脑生理信息数据，并以此计算反映脑功能连通性的双额区域强度。本步骤的具体实现方法为：
[0045]
采用阈值法和带通滤波器去除运动伪迹和生理噪声，然后根据修正的beer-lambert定律将功能近红外成像系统采集到的光强数据转换为hbo2浓度，以此计算大脑双侧前额叶区域强度。
[0046]
在本步骤中，将受试者3次相同stroop色词测试(均为词色与词义一致stroop测试或均为不一致测试)时hbo2数据平均形成一个新的30秒数据，然后，以此计算每两通道之间的皮尔逊相关系数(pearson’s correlation coefficient,pcc)来反映彼此功能上的相关性p
uv
。
[0047][0048]
这里，u和v表示任意两个两道的hbo2浓度，cov(u,v)表示u和v的协方差，σu和σv分别表示u和v的标准差。
[0049]
为减小偏态及使之归一化，将p
uv
进行费希尔z转换。
[0050][0051]
需说明的是，所有的负连接和自连接都被设为0。
[0052]
将通道作为节点，每一对通道之间的z
uv
作为边来构造网络。额叶区域强度rsr反映的是该区资源募集及信息加工的整体情况，其计算方法如下：
[0053][0054]
上式中，ki表示节点i的度，gr表示某区域节点的集合，nr表示该区域节点的个数。
[0055]
步骤3、使用步骤1和步骤2对有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者进行测试，得到受试者的stroop色词测试结果以及双额区域强度。
[0056]
步骤4、比较以上受试者和正常人的stroop色词测试结果以及双额区域强度有无
显著差异，并采用斯皮尔曼相关性分析评价对于有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者，额叶区域强度与moca(一种推荐的公认的评价受试者整体认知功能的神经心理量表)评分的相关性。
[0057]
下面给出两组受试者按照上述方法进行测试得到的具体数据，对本发明做进一步说明：
[0058]
采用上述方法，采集32个正常受试者，40个存在认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者在完成上述stroop色词测试过程中的总计阅读数、正确阅读数、正确率以及双侧前额叶近红外成像光强数据，再将后者进行处理转换，得到hbo2浓度，计算出双侧前额叶区域强度。
[0059]
通过比较以上两组受试者在完成词色与词义一致及不一致stroop测试中的表现得出，有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者在词色与词义不一致stroop测试中的正确率显著低于正常受试者(p＝0.015)(两组中位正确率分别为95.00％(4.0％)，98.00％(6.5％))，右额区域强度显著高于正常受试者(p＝0.025)(两组平均右额区域强度分别为0.85
±
0.31，0.70
±
0.26)，且对于认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者，词色与词义不一致stroop任务过程中右额区域强度与其moca评分呈负相关，斯皮尔曼相关系数r＝-0.416(p＝0.008)。图3给出了有认知功能下降或认知状态不佳且不能较好配合完成传统神经心理量表测评的受试者在完成词色与词义不一致stroop任务时右额区域强度与moca评分的相关性。
[0060]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。