使用高密度多SD距離NIRS增強(qiáng)腦機(jī)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(dòng)力學(xué)反應(yīng)以增強(qiáng) fNIRS-BCI 性能的有效性。

實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(dòng)力學(xué)變化，該設(shè)備由 24 個(gè)光源和 32 個(gè)檢探測(cè)器組成，采樣率為 8.138 Hz。相鄰的 SD 對(duì)可以配置 204 個(gè)通道。圖 1 表示 SD 布置（最上圖）和通道位置，對(duì)應(yīng)各種 SD 間隔。如圖 1 所示，光源和探測(cè)器的各種配對(duì)可以組成四種SD 分布。最近的 SD 對(duì)（例如 S1-D1 和 S2-D2）配置 15mm 的 SD 間距，對(duì)角放置的 SD 對(duì)

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

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

 實(shí)驗(yàn)分三個(gè)階段進(jìn)行，涉及三個(gè)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(shí)驗(yàn)范式的示意圖。

每階段包含 30 個(gè)隨機(jī)試驗(yàn)（每個(gè)任務(wù)重復(fù) 10 次），每個(gè)試驗(yàn)都從 2 秒鐘長(zhǎng)的視覺介紹開始。在介紹時(shí)，隨機(jī)出現(xiàn)一個(gè)心算題目（隨機(jī)的三位數(shù)減去一位數(shù)字），隨機(jī)的單個(gè)字母或注視十字，分別對(duì)應(yīng)于每個(gè) MA，WC 或 BL 試驗(yàn)。在介紹之后，參與者在觀察注視十字的同時(shí)執(zhí)行指定的心理任務(wù) 10 s。對(duì)于 MA 任務(wù)，受訓(xùn)者被指示從先前的計(jì)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(duì)于 WC 任務(wù)，要求參與者不斷以最快的速度提出一個(gè)以前一個(gè)單詞的最后一個(gè)字符開頭的單詞（例如，英語，B: Boy  – year  – rabbit  – tree）。在每個(gè)試驗(yàn)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(duì)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(hào)結(jié)束，然后是靜息態(tài)，休息時(shí)間從 25秒到 27 秒隨機(jī)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(shí)，會(huì)通過揚(yáng)聲器播放一小段純音蜂鳴聲。

圖2  實(shí)驗(yàn)范式示意圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

低密度通道與高密度通道配置的分類準(zhǔn)確度結(jié)果差異均無統(tǒng)計(jì)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(gè)高密度通道配置（High）的分類精度進(jìn)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(zhǎng)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(zhǔn)確性比較。

實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)于不同SD 間隔的兩個(gè)通道配置，可以顯著提高 BCI 性能。研究表明通過采用先進(jìn)的 NIRS 硬件系統(tǒng)可以顯著提高 fNIRS-BCI 的分類準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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