一种基于跨模态脑功能连接图谱的书写能力脑指纹构建方法及系统

本发明属于认知功能训练，具体涉及一种基于跨模态脑功能连接图谱的书写能力脑指纹构建方法。

背景技术：

1、书写加工涉及一系列复杂的语言、认知与运动加工。书写作为一种人类特有的复杂认知加工，经过长期训练会形成个体特有的书写特征，并表现出显著的个体差异。书写过程与笔迹的特征与个体的身体健康、个性心理特征与心理疾患密切相关。例如，书写与学习直接相关，书写障碍是学习困难儿童的重要表现。此外，书写笔迹的变化能够提示神经系统疾病(如帕金森病、老年痴呆等)与心理疾患(抑郁、焦虑)的发病进展，而且，个体书写的特征与人格特质相关，能够应用于人才测评。但是，目前书写能力个体差异常常处于描述层面，缺乏科学客观的评价方法，尤其是缺乏对个体差异的客观刻画，无法将书写能力测试应用个体学业水平评价、身体健康与心理健康的预警与治疗。

2、研究发现，人类脑功能与结构存在巨大的个体差异。充分利用个体差异蕴含的信息，有助于更为精确地理解认知加工的脑机制。从临床应用的角度，构建个体水平脑-行为关联是脑成像技术应用于疾病生物标记的关键一步。随着磁共振成像数据采集与分析方法的进步，研究个体差异脑机制成为可能。首先，数据采集效率大大提高。例如，快速扫描方式的出现使我们在短时间内可以采集到个体大量的数据，提高了信噪比。其次，数据分析方法不断发展，研究者开发出能在个体水平构建行为-脑关系的计算方法。因此，个体差异的脑神经科学逐渐成为认知神经科学一个新的趋势，在不同行为中取得了较大进展。

3、其中，基于连接组的预测模型是应用最为广泛与有效的方法，在预测个体智力与注意等方面得到成功应用。以往研究采用不同模态的脑功能数据构建了脑-行为的关系，但是，何种模态脑功能最能表征认知能力个体差异？尚不清楚。首先，静息态脑功能成像无需复杂的任务设计，也适用于不同的人群。这些优点使其成为最常用的个体差异脑指标。研究发现，静息态脑功能在个体水平预测注意力、创造力、运动、情绪、工作记忆等能力。但是，静息态功能数据是在不受约束的状态下获得，没有对大脑输入与输出的信息进行明确要求。因此，静息态脑功能较难区分研究所关心的特质变量与无关的状态变量。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于跨模态脑功能连接图谱的书写能力脑指纹构建方法，通过结合行为测试、功能磁共振测试，利用基于脑功能连接组的个体预测模型，整合行为数据与功能磁共振成像数据，并利用相关性分析识别与书写能力密切相关的脑功能连接模式，准确地映射出与书写能力的个体差异相关联的脑功能连接特征。

2、所采用的具体方案如下：

3、一种基于跨模态脑功能连接图谱的书写能力脑指纹构建方法，包括：

4、收集用户关于书写运动过程和书写质量的书写行为数据；

5、采集用户执行书写任务态和休息静息态下的神经影像数据；

6、对收集到的书写行为数据和神经影像数据执行相关性分析，识别出与个体书写能力显著相关的大脑功能连接特征和行为指标；

7、利用所识别出的书写任务态与休息静息态下的大脑功能连接特征和行为指标，构建跨模态一般性书写能力相关的脑功能连接关键特征，建立用于预测个体书写能力的脑指纹预测模型；

8、收集新用户的书写行为数据和神经影像数据，对脑指纹预测模型进行验证和优化。

9、进一步地，所述书写行为数据为执行直接抄写任务、延迟抄写任务、听写测试任务和图像抄写测试任务时所采集到的数据；所述的书写运动过程数据为采用书写板与纸质材料测试时所采集到的运动潜伏期、书写运动时间、笔画时间间隔、总时间、书写速度、面积和笔压；所述的书写质量为基于纸质版测试的笔迹评价书写质量，包括：笔画形状、衔接流畅性、大小变化、倾斜程度、空间对齐、美观度、字内部间隔、稳定性以及总体评价。

10、优选地，所述的直接抄写任务要求用户抄写一系列指定的汉字，执行前50％直接抄写任务时，呈现用户抄写时的字体笔迹，执行后50％直接抄写任务时，隐藏用户抄写时的字体笔迹。

11、优选地，所述的延迟抄写任务为展示汉字后进行短暂遮盖，然后要求用户从记忆中重现汉字进行书写。

12、优选地，所述的听写测试任务为通过书写板播放汉字的语音，要求用户将其正确书写在书写板上。

13、进一步地，采用功能磁共振成像方法采集各种任务态和静息态下的与大脑活动相关的神经影像数据，并通过选定的全脑分区模板作为感兴趣区建立全脑功能连接图谱，并将任务态和静息态两种模态下的对应的全脑功能连接图谱取交集，形成一个跨模态的一般性书写能力相关的全脑功能连接图谱。

14、进一步地，结合所建立的一般性书写能力相关的全脑功能连接图谱，计算各个脑区的功能连接强度，构建全脑功能连接；然后对脑功能连接与书写行为数据做相关性分析，识别出与书写能力显著相关的大脑功能连接特征和行为指标；利用大脑功能连接特征和相应的行为指标，基于连接组的预测模型方法构建脑指纹预测模型。

15、另一方面，本发明还提供了一种基于跨模态脑功能连接图谱的书写能力脑指纹构建系统，其与数据处理装置连接，所述系统包括：

16、行为数据收集装置，其收集用户关于书写运动过程和书写质量的书写行为数据，并传输至所述数据处理装置；

17、磁共振成像扫描机，与所述数据处理装置连接，用于采集用户在书写任务态和休息静息态下的神经影像数据；

18、所述数据处理装置中设有数据采集模块、书写能力评估模块、多模态磁共振成像数据分析模块、识别模块和预测模型构建模块；

19、所述数据采集模块用于采集所述书写行为数据和神经影像数据；

20、所述书写能力评估模块根据书写行为数据进行书写能力的多维度评估，得到包含书写运动过程和书写质量评估的书写行为指标；

21、所述多模态磁共振成像数据分析模块根据书写任务态和休息静息态两种模态下的神经影像数据得到跨模态的一般性书写能力相关的全脑功能连接图谱；

22、识别模块，其结合书写行为数据和神经影像数据执行相关性分析，识别出与个体书写能力显著相关的大脑功能连接特征和行为指标；

23、预测模型构建模块，其利用所识别出的任务态与静息态下的大脑功能连接特征和行为指标，构建跨模态一般性书写能力相关的脑功能连接关键特征，建立用于预测个体书写能力的脑指纹预测模型。

24、优选地，所述行为数据收集装置包括：

25、触控笔，其内部复合有笔芯、压力传感器、电磁传感器和手写能力测量模块，并与数据处理装置连接，用于获取用户书写时的书写行为数据；

26、手写板，与所述数据处理装置连接，用于呈现用户测试时的书写任务；

27、纸质板，通过所述纸质板测试用户的笔迹，用于评价书写质量；

28、反射镜眼镜，其设置在磁共振成像扫描机上，且位于用户平躺时的头部区域，用于将所述手写板图像反射到用户的视野中。

29、优选地，所述手写板中存储有直接抄写任务模块、延迟抄写任务模块、听写测试任务模块和图形抄写任务模块。

30、本发明技术方案具有如下优点：

31、a.本发明所建立的脑指纹预测模型相较于其他传统评估书写能力的方法具有明显的优势，本发明采用多模态磁共振方法采集书写任务态下的大脑功能连接特征，并将其与对应的书写行为指标相结合，能够深入分析大脑活动模式，深入揭示了那些在早期可能未表现出显著差异的用户的潜在书写能力问题，可以帮助我们在行为表现出明显差异之前就识别出需要关注的个体。

32、b.本发明通过使用书写板结合磁共振技术，能够精确地捕捉到那些传统评估方法难以发现的脑部活动差异，这不仅为用户在未来学习过程中可能遇到的挑战提供了早期的预警，而且对他们的长期学术和社会发展有着深远影响，特别是在用户成长的关键时期，即书写技能的敏感期，早期的识别和适时的干预是至关重要的。

33、c.本发明借助于脑成像技术，结合行为表现与大脑活动指标所构建的脑指纹预测模型，为个性化书写能力的评估提供了新的路径，结合不同状态的脑功能特征提出建立用户书写“脑指纹”的新方法，从而为个性化书写能力评估提供一条明确的方法路径。