基于fNIRS-BCI的特定任務(wù)刺激持續(xù)時間

1.背景介紹

不同刺激類型對血液動力學(xué)反應(yīng)（hemodynamic response，HR）信號的影響是fNIRS的研究領(lǐng)域之一。相關(guān)研究包括噪聲刺激、checkerboard刺激。迄今為止的問題在于，關(guān)于刺激持續(xù)時間在不同腦區(qū)對HR信號影響的研究還未有，并且也缺少刺激時長的標(biāo)準(zhǔn)。此文將嘗試使用不同的刺激類型對不同腦區(qū)的影響，并嘗試將刺激標(biāo)準(zhǔn)化。

2.研究方法

2.1 被試

十位男性被試，年齡在27.2 ± 4.5之間。所有被試健康，為右利手。

2.2 實驗設(shè)定

設(shè)備使用ISS Imagent的fNIRS。三種范式：右手食指敲擊，右手食指戳擊，checkerboard任務(wù)。每種任務(wù)刺激時長包括1,3,5,7,10,15s六種。右手食指敲擊任務(wù)被要求越快越好，checkerboard任務(wù)被要求看19英寸的屏幕，右手食指戳擊任務(wù)被要求以2Hz的頻率隨機戳任何位置。被試被隨機指定三種任務(wù)的順序，每個任務(wù)需完成6個trials，累計共18次任務(wù)，圖1為實驗流程。

圖1.實驗流程

2.3 設(shè)備設(shè)置

設(shè)備設(shè)置如圖2，共4個探測器16個光源以690nm和830nm的波長工作，采樣頻率為15.625hz，光源按照10-20系統(tǒng)放置。

圖2. 設(shè)備設(shè)置

2.4預(yù)處理

用4階butterworth濾波器阻斷0.15Hz以下的低頻噪聲。同時，根據(jù)每個trial持續(xù)的時間長短設(shè)定低通截至頻率為1/持續(xù)時長，例如35s任務(wù)的低通截止頻率為1/35-0.028Hz。用基于閾值的對偶向量相位分析來檢測initial dip，向量包括ΔHbO, ΔHbR，ΔHbT，ΔCOE四個成分。

3.實驗結(jié)果

數(shù)據(jù)處理使用ISS Imagent提供的軟件。

ΔHbO信號只有在1s戳擊任務(wù)下檢出initial dip，其他更長刺激持續(xù)時間為檢出initial dip。在實驗開始后5s信號達到峰值，12s后達到基線水平。每個刺激互相間隔20s左右才能互不影響。同時實驗結(jié)果證明3s刺激任務(wù)并不能比1s刺激任務(wù)有更好的效果。表1為三個任務(wù)建議的刺激持續(xù)時間，圖3為10個受試者在三種任務(wù)狀態(tài)下1秒任務(wù)的HbOs.

表1. 三個任務(wù)建議的刺激持續(xù)時間

圖3. 比較10個受試者1秒任務(wù)的HbOs.（a）checkerboard(b)戳擊(c)敲擊

4.結(jié)論

此文通過實驗標(biāo)準(zhǔn)化了不同任務(wù)的刺激持續(xù)時間，checkerboard任務(wù)建議7s，手指戳擊任務(wù)建議5s，手指敲擊任務(wù)建議10s。而且，nitial dip只需更短的時間即可檢出，此時建議1s的刺激。

5.文獻名稱及DOI號

Task-specific stimulation duration for fNIRS brain-computer interface. M. N. AFZAL KHAN et al. IEEE Access.

DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2993620