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基于fNIRS-BCI的特定任务刺激持续时间

2022-01-21 17:12:00 发布者: 查看:
不同刺激类型对血液动力学反应(hemodynamic response,HR)信号的影响是fNIRS的研究领域之一。

1.背景介绍

不同刺激类型对血液动力学反应(hemodynamic response,HR)信号的影响是fNIRS的研究领域之一。相关研究包括噪声刺激、checkerboard刺激。迄今为止的问题在于,关于刺激持续时间在不同脑区对HR信号影响的研究还未有,并且也缺少刺激时长的标准。此文将尝试使用不同的刺激类型对不同脑区的影响,并尝试将刺激标准化。

2.研究方法

2.1 被试

十位男性被试,年龄在27.2 ± 4.5之间。所有被试健康,为右利手。

2.2 实验设定

设备使用ISS Imagent的fNIRS。三种范式:右手食指敲击,右手食指戳击,checkerboard任务。每种任务刺激时长包括1,3,5,7,10,15s六种。右手食指敲击任务被要求越快越好,checkerboard任务被要求看19英寸的屏幕,右手食指戳击任务被要求以2Hz的频率随机戳任何位置。被试被随机指定三种任务的顺序,每个任务需完成6个trials,累计共18次任务,图1为实验流程。

近红外实验流程 

图1.实验流程

2.3 设备设置

设备设置如图2,共4个探测器16个光源以690nm和830nm的波长工作,采样频率为15.625hz,光源按照10-20系统放置。

近红外位置布置 

图2. 设备设置

2.4预处理

用4阶butterworth滤波器阻断0.15Hz以下的低频噪声。同时,根据每个trial持续的时间长短设定低通截至频率为1/持续时长,例如35s任务的低通截止频率为1/35-0.028Hz。用基于阈值的对偶向量相位分析来检测initial dip,向量包括ΔHbO, ΔHbR,ΔHbT,ΔCOE四个成分。

3.实验结果

数据处理使用ISS Imagent提供的软件。

ΔHbO信号只有在1s戳击任务下检出initial dip,其他更长刺激持续时间为检出initial dip。在实验开始后5s信号达到峰值,12s后达到基线水平。每个刺激互相间隔20s左右才能互不影响。同时实验结果证明3s刺激任务并不能比1s刺激任务有更好的效果。表1为三个任务建议的刺激持续时间,图3为10个受试者在三种任务状态下1秒任务的HbOs.

表1. 三个任务建议的刺激持续时间

 近红外刺激持续时间

近红外HbOs浓度 

图3. 比较10个受试者1秒任务的HbOs.(a)checkerboard(b)戳击(c)敲击

4.结论

此文通过实验标准化了不同任务的刺激持续时间,checkerboard任务建议7s,手指戳击任务建议5s,手指敲击任务建议10s。而且,nitial dip只需更短的时间即可检出,此时建议1s的刺激。

5.文献名称及DOI号

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

DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2993620

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