基于近红外超扫描的照护效能评估方法及系统

本发明属于脑功能测试，涉及一种基于近红外超扫描的照护效能评估方法及系统。

背景技术：

1、目前，严峻的老龄化现状使得国内外学者把关注焦点放在了老年人的健康方面，随着老年人的年龄增加，其机体不可避免出现一些老化问题，如认知功能的衰退。认知功能是指大脑高级皮层的功能，比如记忆、语言、思维、计算、执行、视空间能力等，老年人认知功能减退，表现形式为正常衰老引起的健忘到病理状态下的痴呆等不同阶段。

2、阿尔茨海默病(alzheimer disease,ad)，又称老年性痴呆，是一种中枢神经系统变性疾病，起病隐袭，病程呈慢性进行性，是痴呆中最常见的一种类型。主要表现为渐进性记忆障碍、认知功能障碍、人格改变及语言障碍等神经精神症状，严重影响社交、职业与生活功能。

3、在ad患者的全程管理中，照料者在治疗、康复和护理等方面均扮演重要角色，照护效能的高低直接决定了ad患者的生活质量、功能维持、住院率与预期寿命。照护效能是指照料者提供的照料技能能够对患者产生正面的积极改善作用，它区别于照护质量的地方在于，照护质量是从照料者的照护技能角度出发，主要用于评估其照护技能的专业性、实操性和规范性。

4、但有研究发现，即使拥有高质量照护技能的照料者，也不一定能够对患者产生积极有效的作用。这是因为照护效能是从患者角度出发进行评估，它的影响因素涉及患者本身(如疾病严重程度、生活活动障碍、精神行为症状等)、照料者(如性格、应对技能等)以及两者的关系(如配偶、子女、护工等)等。目前针对照护质量的评估主要基于量表评分，如质量指标量表(qis)等，且绝大多数为主观化、半主观化评估；而针对照护效能的评估尚无评估体系。

5、脑功能研究是脑科学研究的重要领域，其目的是采用脑功能成像技术对脑组织相关参数进行实时监测，以获取大脑的功能信息，理解大脑的工作机制。随着脑功能检测技术的发展和进步，可通过测量大脑神经元活动引起的代谢变化和代谢物质的分布，来推测与行为相关的局部神经元的兴奋水平。

6、近年来，随着脑功能成像技术的不断发展，功能性近红外脑功能成像(fnirs)作为一种无创的功能神经影像学技术，具有便携易穿戴、高效客观及动态评估的优势，在脑功能疾病诊断和疗效评估方面得到越来越多的临床应用。fnirs是一种基于光学原理的无创性脑功能检测技术，利用了生物组织对近红外光有低吸收和高散射的特征，近红外光可以穿透一定深度的组织，同时由于生物质组织内氧合血红蛋白(hbo2)和脱氧血红蛋白(hbr)等主要的吸收色团对近红外波段的光具有不同的吸收光谱，因此选择合适波长的近红外光，结合吸收色团浓度的变化来反映脑功能活动。基于神经-血管耦合机制，大脑发生功能活动时，被激活区域会引起局部氧代谢率和血流动力学改变。

7、超扫描技术(hyperscanning)是指同时对两个或多人大脑的血液动力学特征或电生理活动进行同步记录的技术，收集与互动有关的动态信息，可分析大脑信号间的相似性、相关性、相干性以及因果关系等特征，主要基于功能性近红外光谱成像(fnirs)等神经功能影像技术，通过分析“跨脑耦合”机制，也称脑间同步，来研究人际互动、社交行为、情感共情等涵盖社会认知的神经科学领域问题，提高了研究的生态效度，为研究社会认知背后的神经机制提供了新的视角。

8、“跨脑耦合”被认为是一种关于远距离时间的信息转换机制。在社会互动中，个体必须控制自己的运动、表情、以及注视合作者的同时，需要理解和预测对方的动作以做出合适的反应。预测在这个过程中是重要的，人们是否能够预测对方并做出对应的反应，在流畅的社交活动中是非常重要的。这就是“交互预测理论”，其核心观点是社交中的被试a和b都有控制自己行为的脑系统，同样也具有预测对方行为的认知系统。如果这些系统共定位于大脑中，并且这两个系统中所有神经活动的总和可以作为一个共同的指标，那么在被试a和b的所有脑活动之间会出现相似模式或者耦合，有点类似于“心有灵犀”的意味。

9、目前超扫描技术已用于研究互动同步、情感共情、社交评估、社交学习等的社会认知心理领域的神经机制研究，如飞行员搭档间的默契度、篮球队员间的合作信赖度、伴侣间浪漫关系调节机制、经济合作与竞争关系、师生教学关系等，然而，运用超扫描技术对痴呆患者及照料者组成二元关系的“跨脑耦合”作用还未见研究报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于近红外超扫描的照护效能评估方法及系统，运用超扫描技术，分析得到认知障碍患者与照料者之间的照护效能的等级，从而方便对认知障碍患者进行重点观察和照护。

2、为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种基于近红外超扫描的照护效能评估方法，包括如下步骤：

3、通过近红外脑功能成像fnirs系统，同步获取受试者在与照料者共同执行合作性认知任务期间的前额叶、顶叶和枕叶皮层的光强数据；

4、对光强数据进行预处理，根据修正的beer-lambert定律，计算出处理后光强数据的透射率和吸光度，再计算出氧合和脱氧血红蛋白浓度；

5、利用激活延迟、半峰宽和偏相干性分析，对氧合和脱氧血红蛋白浓度进行个体水平分析；

6、完成脑区匹配，通过传递熵分析和联合功率谱分析检测脑间同步活动，得到脑间同步性的大小及其方向性；

7、根据脑间同步性的大小及其方向性，评估认知障碍患者与照料者之间的照护效能的等级。

8、本基础方案的工作原理和有益效果在于：本技术方案基于近红外脑功能成像fnirs系统，同步获取受试者在与照料者共同执行合作性认知任务期间的前额叶、顶叶和枕叶皮层的光强数据。对脑血氧数据进行预处理，包括运动伪影矫正、信噪比检测、带通滤波处理、归一化等，并转化到氧合和脱氧血红蛋白浓度，便于后续分析处理。根据脑间同步性的大小及其方向性评估认知障碍患者与照料者之间的照护效能的等级，方便对认知障碍患者进行重点观察和照护。

9、进一步，所述合作性认知任务包括：

10、言语回合互动任务：

11、选择文艺、生活、科学领域的成语或诗词作为互动词句，每个试次呈现5个同类词句，受试者在照料者每读完一句话后随即进行完整的复述，评估其自身的学习记忆和语言功能以及社会互动中的模仿能力；

12、精细运动交互任务：

13、选用手指操范式，根据计算机化、互动型范式、fnirs区块设计的原则进行精细运动交互范式的设计；

14、采用手指操的顺式和逆式，由照料者和受试者根据屏幕提示同时进行，过程中双方均可对对方进行提醒，考验其注意力、执行力、手眼协调能力和互动同步的社交能力；

15、空间合作互动任务：

16、根据日常场景改变的魔方积木范式、实时互动范式和fnirs的混合设计研发空间合作互动范式，根据屏幕显示的目标魔方各部位的搭建规则，照料者协助受试者完成魔方的拆分、搭建和重组，考验其视空间能力、想象力、沟通能力、配合意愿和合作协同能力。

17、设置合适的合作性认知任务，利用采集到所需数据。

18、进一步，同步获取受试者在与照料者共同执行合作性认知任务期间的前额叶、顶叶和枕叶皮层的光强数据的方法如下：

19、受试者及照料者均穿戴无线功能近红外成像装置，受试者及照料者在测试开始前先接受测试内容的指导以熟悉测试规则，然后进行正式测试；

20、受试者及照料者在测试开始后，根据合作性认知任务的提示内容依次完成言语回合互动任务、精细运动交互任务和空间合作互动任务。

21、操作简单，利于执行。

22、进一步，对光强数据进行预处理的方法为：

23、采用滑动平均和信噪比检测：评估信号质量，剔除低质量的数据段，并去除运动伪迹；

24、带通滤波处理：保留感兴趣频段内的信号成分，去除低频漂移和高频噪声；

25、归一化处理。

26、对光强数据进行预处理，便于后续处理。

27、进一步，利用激活延迟、半峰宽和偏相干性分析，对氧合和脱氧血红蛋白浓度进行个体水平分析的具体步骤如下：

28、计算静息状态期内的平均信号值sbaseline，并标记实验中刺激开始的时间点t0，在感兴趣的时间窗口内，找到氧合和脱氧血红蛋白浓度信号的峰值时间点tpeak和峰值speak，则激活延迟tlatency和半峰值shalf：

29、tlatency＝tpeak-t0

30、

31、找到信号在上升沿和下降沿上达到半峰值shalf的两个时间点thalf1和thalf2,计算半峰宽fwhm：

32、fwhm＝thalf2-thalf1

33、建立包含多个变量的多元回归模型，对氧合和脱氧血红蛋白浓度hbo2信号进行傅里叶频域变换，去除共同变量影响后不同频率下的偏相干性cxy(f)：

34、

35、其中，cxy(f)表示频率f下的相干性，sxy(f)是t时间段内x通道x(t)和y通道y(t)的互功率谱,sx(f)和sy(f)分别是x(t)和y(t)的功率谱。

36、利用激活延迟、半峰宽和偏相干性分析，对氧合和脱氧血红蛋白浓度进行个体水平分析，获取相关参数。

37、进一步，完成脑区匹配，通过传递熵分析和联合功率谱分析检测脑间同步活动，得到脑间同步性的大小及其方向性的步骤为：

38、根据每个通道所对应的脑区依次匹配二元组的同步氧合和脱氧血红蛋白浓度hbo2信号，计算hbo2信号信息从一个通道信号传递到另一个通道信号的熵增：

39、

40、其中，tex→y表示从通道x到时间序列y的传输熵，表征了x对y的未来状态的影响量化，即脑间同步性的方向；p(yt+1,yt,xt)表示yt+1、yt和xt的联合概率密度；p(yt+1|yt)表示在给定yt的条件下，yt+1发生的概率；p(yt+1|yt,xt)表示在给定yt和xt的条件下，yt+1发生的概率。

41、对二元组的同步hbo2信号进行傅里叶变换，计算两个信号的联合功率谱：

42、jpsd(f)＝|sxy(f)|2

43、其中，jpsd(f)表示频率f下的x和y的联合功率谱，用来表示通道x到通道y的脑间同步性大小，sxy(f)是互功率谱。

44、完成脑区匹配，通过传递熵分析和联合功率谱分析检测脑间同步活动，得到脑间同步性的大小及其方向性，便于后续使用。

45、进一步，将脑间同步性的大小及其方向性输出并显示，根据jpsd(f)结果判断是否具有“脑间同步性”，及其连接数量，通过熵增tex→y判断其方向性，从而评估认知障碍患者与照料者之间的照护效能的等级，“脑间同步性”的连接数量越多且方向性由照料者指向患者为照护效能越高。

46、评估简单，便于操作。

47、本发明还提供一种基于近红外超扫描的照护效能评估系统，包括数据采集模块和处理模块，所述数据采集模块用于获取患者和照料者在执行合作性认知任务期间前额叶、顶叶和枕叶皮层的光强数据；

48、所述处理模块的输入端与数据采集模块的输出端连接，处理模块执行本发明所述方法，评估认知障碍患者与照料者之间的照护效能的等级。

49、本系统通过受试者在与照料者共同执行合作性认知任务期间的前额叶、顶叶和枕叶皮层的光强数据，分析评估认知障碍患者与照料者之间的照护效能的等级，方便对认知障碍患者进行重点观察和照护

50、进一步，所述数据采集模块包括穿戴在认知障碍患者和照料者身上的无线功能近红外成像装置，所述无线功能近红外成像装置包括18个发射端和16个接收端，组成38个通道，覆盖被试脑的前额叶、顶叶和枕叶皮层；

51、无线功能近红外成像装置的采样频率为11hz，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5-10分钟。

52、数据采集模块结构简单，便于使用。