本發(fā)明涉及腦磁信號(hào)去噪處理領(lǐng)域，具體涉及基于聯(lián)合對(duì)角化的腦磁壞段自動(dòng)識(shí)別和修復(fù)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、腦磁圖是一種能夠?qū)崟r(shí)、完全無(wú)創(chuàng)地測(cè)量大腦神經(jīng)活動(dòng)的磁源成像技術(shù)，通過(guò)測(cè)量大腦神經(jīng)電流活動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)反應(yīng)大腦特定的生理活動(dòng)，與其他功能成像技術(shù)如腦電、功能核磁等相比，腦磁不受組織電導(dǎo)率和顱骨厚度等因素影響，具有高時(shí)間分辨率和空間分辨率。

2、近年來(lái)隨著光泵磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展，不僅靈敏度、便攜性取得巨大突破，其造價(jià)與維護(hù)成本也較低，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于超導(dǎo)量子干涉儀的腦磁設(shè)備運(yùn)行成本高、探頭固定離被測(cè)對(duì)象頭部距離遠(yuǎn)的缺點(diǎn)，在腦科學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有廣闊前景。

3、然而，由于可穿戴特性，在進(jìn)行腦磁數(shù)據(jù)采集時(shí)，不可避免會(huì)受被測(cè)對(duì)象頭部運(yùn)動(dòng)的影響，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)中存在壞段，此外，測(cè)量過(guò)程中光泵磁強(qiáng)計(jì)的不穩(wěn)定以及外部環(huán)境的干擾，也容易導(dǎo)致在某些時(shí)間段產(chǎn)生高振幅偽影。這些高振幅偽影容易對(duì)后續(xù)的預(yù)處理步驟產(chǎn)生影響，尤其是腦磁中常用的子空間投影方法，容易受高振幅壞段的影響，并壞段傳播到其他通道，因此在進(jìn)行其他預(yù)處理步驟前，必要的一個(gè)過(guò)程是視覺(jué)檢查數(shù)據(jù)并剔除存在壞段的部分?jǐn)?shù)據(jù)，但是這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，且受主觀性影響較大。

4、目前針對(duì)壞段的處理策略主要有以下幾種：①直接去除跨多通道的高振幅偽影以及通過(guò)插值來(lái)修復(fù)少量通道中存在的偽影；②通過(guò)將某個(gè)通道投影到其他通道跨越的子空間。但無(wú)論是直接去除壞段還是通過(guò)其他通道來(lái)插值均會(huì)降低數(shù)據(jù)的容量，尤其是當(dāng)通道數(shù)量較少時(shí)，插值方法可能存在較大的誤差；而投影到其他通道確定的子空間的方法只能修復(fù)通道特異性噪聲，即在同一時(shí)刻其他通道也存在偽影時(shí)該方法沒(méi)有作用。且上述方法目前大部分均需要手動(dòng)標(biāo)記或輸入?yún)?shù)，目前較少全自動(dòng)壞段識(shí)別及修復(fù)的方法，因此需要一種能夠快速且自動(dòng)的壞段識(shí)別和修復(fù)方法，提高腦磁信號(hào)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和處理效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述背景中的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提出一種基于聯(lián)合對(duì)角化的腦磁壞段自動(dòng)識(shí)別額修復(fù)方法及系統(tǒng)，使用時(shí)間窗將數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，并通過(guò)數(shù)據(jù)段的協(xié)方差矩陣與平均協(xié)方差矩陣之間的歐式距離來(lái)識(shí)別壞段，根據(jù)統(tǒng)計(jì)閾值和循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)壞段的準(zhǔn)確識(shí)別，利用聯(lián)合對(duì)角化方法提取識(shí)別的壞段的主成分偽影，并通過(guò)回歸去除偽影，實(shí)現(xiàn)壞段的自動(dòng)修復(fù)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了基于聯(lián)合對(duì)角化的腦磁壞段自動(dòng)識(shí)別和修復(fù)方法，步驟包括：

3、獲取被測(cè)對(duì)象原始的多通道腦磁信號(hào)；

4、對(duì)所述多通道腦磁信號(hào)進(jìn)行分段，得到若干分段數(shù)據(jù)；

5、計(jì)算每個(gè)所述分段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和平均協(xié)方差矩陣；

6、基于協(xié)方差矩陣和平均協(xié)方差矩陣，識(shí)別所述分段數(shù)據(jù)中的壞段數(shù)據(jù)；

7、利用聯(lián)合對(duì)角化方法，對(duì)所述壞段數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。

8、優(yōu)選的，使用光泵磁強(qiáng)計(jì)獲取所述多通道腦磁信號(hào)；其中，

9、所述光泵磁強(qiáng)計(jì)包括：用于接觸被測(cè)對(duì)象指定區(qū)域的具有無(wú)自旋交換弛豫效應(yīng)的極弱磁測(cè)量傳感器陣列式及每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制裝置；

10、所述多通道腦磁信號(hào)包括：利用實(shí)驗(yàn)范式刺激被測(cè)對(duì)象從而獲得的多通道腦磁誘發(fā)信號(hào)。

11、優(yōu)選的，得到所述分段數(shù)據(jù)的方法包括：

12、首先對(duì)所述多通道腦磁信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；

13、之后采用窗口法，按照固定窗長(zhǎng)和重疊長(zhǎng)度對(duì)濾波后的所述多通道腦磁信號(hào)進(jìn)行分段，得到若干分段數(shù)據(jù)。

14、優(yōu)選的，計(jì)算協(xié)方差矩陣和平均協(xié)方差矩陣的方法包括：

15、第i段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣的計(jì)算公式為：

16、covi＝xixit

17、平均協(xié)方差矩陣的計(jì)算公式為：

18、

19、其中，covi表示第i段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣；cov表示平均協(xié)方差矩陣；xi表示第i段分段數(shù)據(jù)；e表示數(shù)據(jù)總段數(shù)；t表示轉(zhuǎn)置矩陣。

20、優(yōu)選的，識(shí)別所述壞段數(shù)據(jù)的方法包括：

21、首先，計(jì)算每個(gè)所述分段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣與平均協(xié)方差矩陣之間的歐式距離：

22、di＝||covi-cov||f

23、其中，||?||f表示f范數(shù)；

24、計(jì)算歐式距離的平均差與標(biāo)準(zhǔn)差：

25、

26、

27、其中，μ表示平均差；σ表示標(biāo)準(zhǔn)差；e表示數(shù)據(jù)總段數(shù)；dj表示第j段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣與平均協(xié)方差矩陣之間的距離；

28、距離閾值設(shè)定為：

29、th＝μ+4σ

30、其中，th表示選定的閾值；

31、根據(jù)距離閾值識(shí)別壞段后，重新計(jì)算該壞段之外其他分段數(shù)據(jù)的平均協(xié)方差矩陣和統(tǒng)計(jì)閾值，迭代循環(huán)識(shí)別壞段，直到無(wú)壞段被識(shí)別；判斷分段數(shù)據(jù)為壞段的依據(jù)包括：

32、di＞th

33、其中，di表示第i段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣與平均協(xié)方差矩陣的距離。

34、優(yōu)選的，修復(fù)所述壞段數(shù)據(jù)的方法包括：根據(jù)識(shí)別的壞段數(shù)據(jù)，使用聯(lián)合對(duì)角化獲取壞段數(shù)據(jù)的偽影成分，將偽影成分視為參考信號(hào)，并使用參考回歸去除偽影，獲得無(wú)偽影數(shù)據(jù)，之后循環(huán)識(shí)別壞段數(shù)據(jù)與修復(fù)壞段數(shù)據(jù)過(guò)程，直至識(shí)別不到壞段數(shù)據(jù)。

35、本發(fā)明還提供了基于聯(lián)合對(duì)角化的腦磁壞段自動(dòng)識(shí)別和修復(fù)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)上述方法，包括：采集模塊、分段模塊、計(jì)算模塊、識(shí)別模塊和修復(fù)模塊；

36、所述采集模塊用于獲取被測(cè)對(duì)象原始的多通道腦磁信號(hào)；

37、所述分段模塊用于對(duì)所述多通道腦磁信號(hào)進(jìn)行分段，得到若干分段數(shù)據(jù)；

38、所述計(jì)算模塊用于計(jì)算每個(gè)所述分段數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和平均協(xié)方差矩陣；

39、所述識(shí)別模塊用于基于協(xié)方差矩陣和平均協(xié)方差矩陣，識(shí)別所述分段數(shù)據(jù)中的壞段數(shù)據(jù)；

40、所述修復(fù)模塊用于利用聯(lián)合對(duì)角化方法，對(duì)所述壞段數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。

41、優(yōu)選的，所述采集模塊的工作流程包括：使用光泵磁強(qiáng)計(jì)獲取所述多通道腦磁信號(hào)；其中，所述光泵磁強(qiáng)計(jì)包括：用于接觸被測(cè)對(duì)象指定區(qū)域的具有無(wú)自旋交換弛豫效應(yīng)的極弱磁測(cè)量傳感器陣列式及每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制裝置；

42、所述多通道腦磁信號(hào)包括：利用實(shí)驗(yàn)范式刺激被測(cè)對(duì)象從而獲得的多通道腦磁誘發(fā)信號(hào)。

43、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

44、(1)本發(fā)明的方法中將采集的多通道腦磁信號(hào)進(jìn)行分段，利用協(xié)方差矩陣和歐式距離來(lái)識(shí)別壞段，實(shí)現(xiàn)了壞段的自動(dòng)識(shí)別，可有效推廣到其他時(shí)間序列信號(hào)。

45、(2)另外，本發(fā)明將聯(lián)合對(duì)角化分析方法應(yīng)用于壞段修復(fù)，克服了傳統(tǒng)插值方法降低數(shù)據(jù)容量的缺點(diǎn)。此外，本發(fā)明中應(yīng)用循環(huán)迭代的方式，避免相關(guān)參數(shù)的輸入，通過(guò)這樣的方法使壞道識(shí)別和修復(fù)完全自動(dòng)化，無(wú)需手動(dòng)標(biāo)記或輸入其他參數(shù)，代替科研工作者以及臨床醫(yī)護(hù)人員費(fèi)時(shí)費(fèi)力的識(shí)別和標(biāo)記過(guò)程。

46、(3)本發(fā)明在循環(huán)迭代過(guò)程中，排除之前已經(jīng)識(shí)別了的壞段數(shù)據(jù)，并重新更新相關(guān)參數(shù)，提高了整體壞段自動(dòng)識(shí)別的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。