基于fNIRS-BCI判別前額葉和運(yùn)動(dòng)頂葉的initial dip

1.研究背景

fNIRS信號根據(jù)腦活動(dòng)分為三個(gè)階段：initial dip, conventional hemodynamic response(HR), undershoot。此文聚焦于initial dip，initial dip是對血氧變化做出反應(yīng)最快的一種信號，在大腦視覺和運(yùn)動(dòng)皮層。以往基于fNIRS-BCI使用血氧動(dòng)力學(xué)變化（HR）作為BCI的控制信號，問題是這種信號有5s左右的延遲。為解決上述問題，Zafar and Hong提出一種方法探測前額頂葉的multiple initial dip，這種方法檢測0-2.5s時(shí)間窗內(nèi)的信號，證明這種方法具有很大的潛力提升延遲問題。在此文中提出另一個(gè)中法，判別前額葉和頂葉運(yùn)動(dòng)區(qū)的initial dip，以此作為BCI控制信號。結(jié)果顯示三分類正確率為66.6%。

2.研究方法

2.1 被試

五位男性被試，年齡在27.5 ± 4.5左右，沒有精神疾病。

2.2 實(shí)驗(yàn)范式

包括心算，靜默數(shù)數(shù)，右手手指敲擊。光源放在前額葉和左頂葉運(yùn)動(dòng)區(qū)。實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)sessions，session前靜息120s，session后靜息40s。心算范式內(nèi)容為三位數(shù)內(nèi)減法；靜默數(shù)數(shù)范式內(nèi)容為三位數(shù)倒數(shù)；右手手指敲擊被要求越快越好。

2.3 信號獲取和預(yù)處理

設(shè)備和分析軟件使用ISS Imagent。使用690nm和830nm兩種波長光源測量ΔHbO和ΔHbR信號，采樣頻率為12.625Hz。前額葉和頂葉運(yùn)動(dòng)腦區(qū)各包括8個(gè)光源，2個(gè)探測器。預(yù)處理使用0.15Hz低通濾波器減少呼吸和心跳信號。

2.4 特征提取

Initial dip檢測方法為向量相位分析（vector phase analysis），同時(shí)設(shè)定閾值剔除質(zhì)量不好的信號，以減少對initial dip的錯(cuò)誤分類。對各種到信號做加算平均后，計(jì)算0-1s,0-1.5s,0-2s,0-2.5s時(shí)間窗內(nèi)的信號均值，信號斜率，信號最小值，峰度，偏度作為特征放入LDA判別器中分類。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上圖是三種范式的信號加算平均的結(jié)果，區(qū)別很明顯。

上表為各被試分類結(jié)果，可以看出分類準(zhǔn)確率超過chance level。

各特征分別做分類結(jié)果如上，均值和最小值的組合有最好的分類準(zhǔn)確率。

4.結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明檢測前額葉和頂葉運(yùn)動(dòng)區(qū)的initial dip，可以作為BCI的控制信號。未來加入ΔCOE信號或可進(jìn)一步提高分類準(zhǔn)確率。

5.文獻(xiàn)名稱及DOI號

Classification of prefrontal and motor cortex initial dips for fNIRS-based-BCI. Amad Zafar IEEE Transactions.

DOI:10.1109/CACS.2017.8284261