实验设计与数据处理-
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实验设计与数据处理
功能性近红外光谱（fNIRS）评估运动负荷对脑血流动力学 响应的影响
目 录
课题背景
1
研究背景；意义
实验设计
2
实验方案；实验准备；数据采集
数据处理
3
数据预处理；数据处理；统计分析
总结
4
总结；反思
研究背景
Part.1
1.大脑血流动力学响应
上肢运动在神经学和神经康复中频繁用于评估受损的运动功能；上肢康复训练
可以改善脑卒中患者的上肢功能障碍，恢复其上肢运动功能。
背 景
神经-血管耦合：上肢运动引起相应神经的活性增强会导致局部毛细血管 增加氧气的消耗，从而引起局部血流量（CBF）增加。
本实验目的是探究运动负荷 对初级运动皮层（M1，同 侧和对侧）的激活作用
2.近红外光脑功能成像
NIRS 利用神经活动与血液动力学响应间的相关性来间接测量脑活动，
背 景
是一种无损伤的脑功能检测技术。 生物组织对近红外光（700-1000 nm）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 HbO2、 HHb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，可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。
2.近红外光脑功能成像
修正的Beer-Lambert 定律
背 景
fNIRS的独特优势 操作简便，便携性好 时间分辨率和空间分辨率较高 适用于自然情境、婴幼儿童和 特殊人群
实验设计
Part.2
1.实验方案
实验目的：探究运动负荷对大脑血流动力学响应的影响 实验设计： 不同重量的哑铃（0LB、5LB、10LB）以及不同的主动运动训练时间（10S、 20S），表示不同的运动负荷，如表1所示。
表1 实验具体参数
experiment 1 2 3 4 5 6 exercise load (LB) 0 0 5 5 10 10 stimulation priod (S) 10 20 10 20 10 20
实 验 设 计
1.实验方案
实验范式：六组实验，每组实验包括25s的静息期，以测得血氧的基线； 15次主动运动刺激期和休息期交替进行。如图1所示。 主动运动刺激期：手握哑铃进行主动肘屈至最大角度，并保持（10S或 20S），直至刺激时间结束。 休息期：25S血氧水平恢复基线。 实验1，3，5约585S；实验2、4、6
实 验 设 计
约735S。
每组实验完成后休息1小时，保证 被试从疲劳中恢复正常状态。
图1 实验任务时间轴
2.实验准备
被试招募：15名健康右利手志愿者（重庆大学和陆军军医大学附属西南医 院的机构审查委员会（IRB）批准），无上肢运动障碍和神经肌肉疾病；实 验前保证充足休息，并于实验前充分了解实验内容和流程，并签署知情同 意书。 实验环境：实验在陆军军医大学生物医学工程学院405实验室进行，房间保 持黑暗且安静。 实验设备：多通道fNIRS系统（NIRx Medical Technologies LLC, NY, USA） 采用E-Prime设计实验范式程序。
实 验 设 计
3.数据采集
检测初级运动皮层(M1)的激活:采用国际10-20系统导联，将16个光 极（包括8个光源和8个探测器）覆盖于被试者M1，共20个通道。
实 验 设 计
被试者端坐于椅子上，保持安静状 态、根据电脑屏幕完成实验，保存 每个被试的实验数据。
数据处理
Part.3
1.数据预处理
根据Beer-Lambert定律，将原始数据转化为血红蛋白浓度数据需要以 下步骤：
数 据 处 理
原始数据d
原始数据转光密度OD：
' ' OD logI1 / I0 - logI1 / I0 = logI 1 / I1
基于 MATLAB的 工具箱 nirsLAB
光密度数据 OD
去噪: 例如 0.01Hz~0.1Hz带通： 去除生理噪声与基线漂移；剔除异常数据等 去噪后光密度 OD 光密度转血红蛋白浓度： 血红蛋白浓度 数据dc
i i ODi ( HBO CHBO HBR CHBR )* r * DPF i
分析与统计结 果
时频波形分析： 例如：block平均；t-test等
2.数据处理
绘制每个被试的各实验下的HbO2，HHb,tHb的浓度变化图 （标记刺激点）
数 据 处 理
以 HbO2 为例
每个实验下，将所有被试的各个通道数据进行平均 任务块平均（单人、所有 被试）
每三个block叠加平均 每五个block叠加平均
十五个block叠加平均
3.统计分析
绘制通道激活图
数 据 处 理
如图所示（以HbO2 为例），对侧M1中 通道5-10有明显激活 ，同侧M1中也有激 活的通道。
统计有显著激活的通道数目
3.统计分析
统计任务块内的浓度幅值、浓度均值、到达幅值所需的时间
实 验 设 计
绘制带误差棒的柱状图（均数+ 标准差）
eg.所有被试在每个实验下的平均
HbO2浓度的改变
同种因素下组间数据比较——单因 素方差分析
评估两种条件下的O2Hb和HHb差异的统计 学显着性
两组间差异——配对t检验（P<0.05）
总结
Part.4
本实验为单纯的fNIRS脑功能成像，接下来的实验中还会加入
总 结
脑电检测。实验设计和数据处理方面还应改进。
在预实验的基础上设计的实验，还有需要完善的地方。还未全面 接触数据处理的各种方法，需要更深入学习，参考相关文献，并
应用于实践。
谢谢聆听
Thank you to listen.
功能性近红外光谱（fNIRS）评估运动负荷对脑血流动力学 响应的影响
目 录
课题背景
1
研究背景；意义
实验设计
2
实验方案；实验准备；数据采集
数据处理
3
数据预处理；数据处理；统计分析
总结
4
总结；反思
研究背景
Part.1
1.大脑血流动力学响应
上肢运动在神经学和神经康复中频繁用于评估受损的运动功能；上肢康复训练
可以改善脑卒中患者的上肢功能障碍，恢复其上肢运动功能。
背 景
神经-血管耦合：上肢运动引起相应神经的活性增强会导致局部毛细血管 增加氧气的消耗，从而引起局部血流量（CBF）增加。
本实验目的是探究运动负荷 对初级运动皮层（M1，同 侧和对侧）的激活作用
2.近红外光脑功能成像
NIRS 利用神经活动与血液动力学响应间的相关性来间接测量脑活动，
背 景
是一种无损伤的脑功能检测技术。 生物组织对近红外光（700-1000 nm）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 HbO2、 HHb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，可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。
2.近红外光脑功能成像
修正的Beer-Lambert 定律
背 景
fNIRS的独特优势 操作简便，便携性好 时间分辨率和空间分辨率较高 适用于自然情境、婴幼儿童和 特殊人群
实验设计
Part.2
1.实验方案
实验目的：探究运动负荷对大脑血流动力学响应的影响 实验设计： 不同重量的哑铃（0LB、5LB、10LB）以及不同的主动运动训练时间（10S、 20S），表示不同的运动负荷，如表1所示。
表1 实验具体参数
experiment 1 2 3 4 5 6 exercise load (LB) 0 0 5 5 10 10 stimulation priod (S) 10 20 10 20 10 20
实 验 设 计
1.实验方案
实验范式：六组实验，每组实验包括25s的静息期，以测得血氧的基线； 15次主动运动刺激期和休息期交替进行。如图1所示。 主动运动刺激期：手握哑铃进行主动肘屈至最大角度，并保持（10S或 20S），直至刺激时间结束。 休息期：25S血氧水平恢复基线。 实验1，3，5约585S；实验2、4、6
实 验 设 计
约735S。
每组实验完成后休息1小时，保证 被试从疲劳中恢复正常状态。
图1 实验任务时间轴
2.实验准备
被试招募：15名健康右利手志愿者（重庆大学和陆军军医大学附属西南医 院的机构审查委员会（IRB）批准），无上肢运动障碍和神经肌肉疾病；实 验前保证充足休息，并于实验前充分了解实验内容和流程，并签署知情同 意书。 实验环境：实验在陆军军医大学生物医学工程学院405实验室进行，房间保 持黑暗且安静。 实验设备：多通道fNIRS系统（NIRx Medical Technologies LLC, NY, USA） 采用E-Prime设计实验范式程序。
实 验 设 计
3.数据采集
检测初级运动皮层(M1)的激活:采用国际10-20系统导联，将16个光 极（包括8个光源和8个探测器）覆盖于被试者M1，共20个通道。
实 验 设 计
被试者端坐于椅子上，保持安静状 态、根据电脑屏幕完成实验，保存 每个被试的实验数据。
数据处理
Part.3
1.数据预处理
根据Beer-Lambert定律，将原始数据转化为血红蛋白浓度数据需要以 下步骤：
数 据 处 理
原始数据d
原始数据转光密度OD：
' ' OD logI1 / I0 - logI1 / I0 = logI 1 / I1
基于 MATLAB的 工具箱 nirsLAB
光密度数据 OD
去噪: 例如 0.01Hz~0.1Hz带通： 去除生理噪声与基线漂移；剔除异常数据等 去噪后光密度 OD 光密度转血红蛋白浓度： 血红蛋白浓度 数据dc
i i ODi ( HBO CHBO HBR CHBR )* r * DPF i
分析与统计结 果
时频波形分析： 例如：block平均；t-test等
2.数据处理
绘制每个被试的各实验下的HbO2，HHb,tHb的浓度变化图 （标记刺激点）
数 据 处 理
以 HbO2 为例
每个实验下，将所有被试的各个通道数据进行平均 任务块平均（单人、所有 被试）
每三个block叠加平均 每五个block叠加平均
十五个block叠加平均
3.统计分析
绘制通道激活图
数 据 处 理
如图所示（以HbO2 为例），对侧M1中 通道5-10有明显激活 ，同侧M1中也有激 活的通道。
统计有显著激活的通道数目
3.统计分析
统计任务块内的浓度幅值、浓度均值、到达幅值所需的时间
实 验 设 计
绘制带误差棒的柱状图（均数+ 标准差）
eg.所有被试在每个实验下的平均
HbO2浓度的改变
同种因素下组间数据比较——单因 素方差分析
评估两种条件下的O2Hb和HHb差异的统计 学显着性
两组间差异——配对t检验（P<0.05）
总结
Part.4
本实验为单纯的fNIRS脑功能成像，接下来的实验中还会加入
总 结
脑电检测。实验设计和数据处理方面还应改进。
在预实验的基础上设计的实验，还有需要完善的地方。还未全面 接触数据处理的各种方法，需要更深入学习，参考相关文献，并
应用于实践。
谢谢聆听
Thank you to listen.