使用高密度多SD距离NIRS增强脑机接口的性能

研究目的：

本研究引入高密度多距离 SD 分离的 NIRS 设备，探讨使用高密度多距离SD 分布来记录 PFC 中的血液动力学反应以增强 fNIRS-BCI 性能的有效性。

实验方法：

2.1 参与者

15 名健康志愿者（六名男性和九名女性，平均年龄为 22.5±2.1 岁）参加了这项研究。

2.2 高密度多距离 NIRS

使用高密度 NIRS 设备记录 PFC 中的血流动力学变化，该设备由 24 个光源和 32 个检探测器组成，采样率为 8.138 Hz。相邻的 SD 对可以配置 204 个通道。图 1 表示 SD 布置（最上图）和通道位置，对应各种 SD 间隔。如图 1 所示，光源和探测器的各种配对可以组成四种SD 分布。最近的 SD 对（例如 S1-D1 和 S2-D2）配置 15mm 的 SD 间距，对角放置的 SD 对

（例如 S1-D8 和 S8-D5）配置 21.2mm 的 SD 间距。晶格排列的 SD 对（例如 S1-D6 和 S2-D8） 对应于 30mm 的 SD 间隔。最后的 SD 对（距离与 S2-D7 和 S8-D6 相同）形成 33.5 mm  的 SD间隔。当 SD 间隔为 15、21.2、30 和 33.5 mm 时，通道数分别为 52、36（18 个通道+18 个重叠通道），68（48 个通道+20 个重叠通道）和 48 个（26 个通道+22 个重叠通道）。

图1   光源和探测器排列，以及 SD 间距分别为 15, 21.2, 30 和 33.5mm 对应的 NIRS 通道的位置。

 实验分三个阶段进行，涉及三个心理任务。即 MA 任务，单词链（WC）任务和基线（BL） 任务。在每阶段开始，参与者放松并观察注视十字 2 分钟。图 2 说明了实验范式的示意图。

每阶段包含 30 个随机试验（每个任务重复 10 次），每个试验都从 2 秒钟长的视觉介绍开始。在介绍时，随机出现一个心算题目（随机的三位数减去一位数字），随机的单个字母或注视十字，分别对应于每个 MA，WC 或 BL 试验。在介绍之后，参与者在观察注视十字的同时执行指定的心理任务 10 s。对于 MA 任务，受训者被指示从先前的计算结果中尽可能快地连续减去一位数（在 6 到 9 之间）（例如 789-7 = 782、782-7 = 775，775-7 = 768）。对于 WC 任务，要求参与者不断以最快的速度提出一个以前一个单词的最后一个字符开头的单词（例如，英语，B: Boy  – year  – rabbit  – tree）。在每个试验中，要求参与者不要重复以前使用的单词。WC 任务以参与者的母语（韩语）执行。对于 BL 任务，参与者放松身心而没有任何分散注意力的想法。任务态以屏幕上显示的“ STOP”符号结束，然后是静息态，休息时间从 25秒到 27 秒随机变化，以避免潜在地适应任务例行程序。在任务态的开始和结束时，会通过扬声器播放一小段纯音蜂鸣声。

图2  实验范式示意图。

实验结果：

低密度通道与高密度通道配置的分类准确度结果差异均无统计学意义。但通过组合多距离 SD 分布（用“ Multi”表示）获得的最终分类精度与单个高密度通道配置（High）的分类精度进行比较，二元（MA 与 BL 的平均值，WC 与 BL 的平均值以及 MA 与 WC 的平均值） 和三元分类精度均为分别增长了 5.2％和 4.7％。

图3  低密度晶格 30mmSD（Low），高密度 30mmSD分布（High），和联合多距离 SD分布（Multi）的二元、三元分类准确性比较。

实验结论： 

直接使用较高密度的记录数据并没有导致 BCI 性能的显著提高。但通过组合对应于不同SD 间隔的两个通道配置，可以显著提高 BCI 性能。研究表明通过采用先进的 NIRS 硬件系统可以显着提高 fNIRS-BCI 的分类准确性。

参考文献：

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