基于fNIRS-BCI的特定任務(wù)刺激持續(xù)時(shí)間

1.背景介紹

不同刺激類型對(duì)血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)（hemodynamic response，HR）信號(hào)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(shí)間在不同腦區(qū)對(duì)HR信號(hào)影響的研究還未有，并且也缺少刺激時(shí)長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。此文將嘗試使用不同的刺激類型對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)長(zhǎng)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(jī)戳任何位置。被試被隨機(jī)指定三種任務(wù)的順序，每個(gè)任務(wù)需完成6個(gè)trials，累計(jì)共18次任務(wù)，圖1為實(shí)驗(yàn)流程。

圖1.實(shí)驗(yàn)流程

2.3 設(shè)備設(shè)置

設(shè)備設(shè)置如圖2，共4個(gè)探測(cè)器16個(gè)光源以690nm和830nm的波長(zhǎng)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(shí)，根據(jù)每個(gè)trial持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短設(shè)定低通截至頻率為1/持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，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(duì)偶向量相位分析來檢測(cè)initial dip，向量包括ΔHbO, ΔHbR，ΔHbT，ΔCOE四個(gè)成分。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)處理使用ISS Imagent提供的軟件。

ΔHbO信號(hào)只有在1s戳擊任務(wù)下檢出initial dip，其他更長(zhǎng)刺激持續(xù)時(shí)間為檢出initial dip。在實(shí)驗(yàn)開始后5s信號(hào)達(dá)到峰值，12s后達(dá)到基線水平。每個(gè)刺激互相間隔20s左右才能互不影響。同時(shí)實(shí)驗(yàn)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(gè)任務(wù)建議的刺激持續(xù)時(shí)間，圖3為10個(gè)受試者在三種任務(wù)狀態(tài)下1秒任務(wù)的HbOs.

表1. 三個(gè)任務(wù)建議的刺激持續(xù)時(shí)間

圖3. 比較10個(gè)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化了不同任務(wù)的刺激持續(xù)時(shí)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(shí)間即可檢出，此時(shí)建議1s的刺激。

5.文獻(xiàn)名稱及DOI號(hào)

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

DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2993620