使用高密度多SD距離NIRS增強腦機接口的性能

研究目的：

本研究引入高密度多距離 SD 分離的 NIRS 設(shè)備，探討使用高密度多距離SD 分布來記錄 PFC 中的血液動力學(xué)反應(yīng)以增強 fNIRS-BCI 性能的有效性。

實驗方法：

2.1 參與者

15 名健康志愿者（六名男性和九名女性，平均年齡為 22.5±2.1 歲）參加了這項研究。

2.2 高密度多距離 NIRS

使用高密度 NIRS 設(shè)備記錄 PFC 中的血流動力學(xué)變化，該設(shè)備由 24 個光源和 32 個檢探測器組成，采樣率為 8.138 Hz。相鄰的 SD 對可以配置 204 個通道。圖 1 表示 SD 布置（最上圖）和通道位置，對應(yīng)各種 SD 間隔。如圖 1 所示，光源和探測器的各種配對可以組成四種SD 分布。最近的 SD 對（例如 S1-D1 和 S2-D2）配置 15mm 的 SD 間距，對角放置的 SD 對

（例如 S1-D8 和 S8-D5）配置 21.2mm 的 SD 間距。晶格排列的 SD 對（例如 S1-D6 和 S2-D8） 對應(yīng)于 30mm 的 SD 間隔。最后的 SD 對（距離與 S2-D7 和 S8-D6 相同）形成 33.5 mm  的 SD間隔。當 SD 間隔為 15、21.2、30 和 33.5 mm 時，通道數(shù)分別為 52、36（18 個通道+18 個重疊通道），68（48 個通道+20 個重疊通道）和 48 個（26 個通道+22 個重疊通道）。

圖1   光源和探測器排列，以及 SD 間距分別為 15, 21.2, 30 和 33.5mm 對應(yīng)的 NIRS 通道的位置。

 實驗分三個階段進行，涉及三個心理任務(wù)。即 MA 任務(wù)，單詞鏈（WC）任務(wù)和基線（BL） 任務(wù)。在每階段開始，參與者放松并觀察注視十字 2 分鐘。圖 2 說明了實驗范式的示意圖。

每階段包含 30 個隨機試驗（每個任務(wù)重復(fù) 10 次），每個試驗都從 2 秒鐘長的視覺介紹開始。在介紹時，隨機出現(xiàn)一個心算題目（隨機的三位數(shù)減去一位數(shù)字），隨機的單個字母或注視十字，分別對應(yīng)于每個 MA，WC 或 BL 試驗。在介紹之后，參與者在觀察注視十字的同時執(zhí)行指定的心理任務(wù) 10 s。對于 MA 任務(wù)，受訓(xùn)者被指示從先前的計算結(jié)果中盡可能快地連續(xù)減去一位數(shù)（在 6 到 9 之間）（例如 789-7 = 782、782-7 = 775，775-7 = 768）。對于 WC 任務(wù)，要求參與者不斷以最快的速度提出一個以前一個單詞的最后一個字符開頭的單詞（例如，英語，B: Boy  – year  – rabbit  – tree）。在每個試驗中，要求參與者不要重復(fù)以前使用的單詞。WC 任務(wù)以參與者的母語（韓語）執(zhí)行。對于 BL 任務(wù)，參與者放松身心而沒有任何分散注意力的想法。任務(wù)態(tài)以屏幕上顯示的“ STOP”符號結(jié)束，然后是靜息態(tài)，休息時間從 25秒到 27 秒隨機變化，以避免潛在地適應(yīng)任務(wù)例行程序。在任務(wù)態(tài)的開始和結(jié)束時，會通過揚聲器播放一小段純音蜂鳴聲。

圖2  實驗范式示意圖。

實驗結(jié)果：

低密度通道與高密度通道配置的分類準確度結(jié)果差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。但通過組合多距離 SD 分布（用“ Multi”表示）獲得的最終分類精度與單個高密度通道配置（High）的分類精度進行比較，二元（MA 與 BL 的平均值，WC 與 BL 的平均值以及 MA 與 WC 的平均值） 和三元分類精度均為分別增長了 5.2％和 4.7％。

圖3  低密度晶格 30mmSD（Low），高密度 30mmSD分布（High），和聯(lián)合多距離 SD分布（Multi）的二元、三元分類準確性比較。

實驗結(jié)論： 

直接使用較高密度的記錄數(shù)據(jù)并沒有導(dǎo)致 BCI 性能的顯著提高。但通過組合對應(yīng)于不同SD 間隔的兩個通道配置，可以顯著提高 BCI 性能。研究表明通過采用先進的 NIRS 硬件系統(tǒng)可以顯著提高 fNIRS-BCI 的分類準確性。

參考文獻：

Shin, J., et al., Performance enhancement of a brain-computer interface using high-density multi-distance NIRS. Sci Rep, 2017. 7(1): p. 16545.