基于fNIRS-BCI的特定任務刺激持續時間的相關研究

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 研究背景

不同刺激類型對血液動力學反應（hemodynamic response，HR）信號的影響是fNIRS的研究領域之一。相關研究包括噪聲刺激、checkerboard刺激。迄今為止的問題在于，關于刺激持續時間在不同腦區對HR信號影響的研究還未有，并且也缺少刺激時長的標準。此文將嘗試使用不同的刺激類型對不同腦區的影響，并嘗試將刺激標準化。
 

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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、實驗設定

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

2.3、設備設置

設備設置如下圖，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系統放置。

2.4、預處理

用4階butterworth濾波器阻斷0.15Hz以下的低頻噪聲。同時，根據每個trial持續的時間長短設定低通截至頻率為1/持續時長，例如35s任務的低通截止頻率為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。

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研究結果

數據處理使用ISS Imagent提供的軟件。

ΔHbO信號只有在1s戳擊任務下檢出initial dip，其他更長刺激持續時間為檢出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。同時實驗結果證明3s刺激任務并不能比1s刺激任務有更好的效果。

上表三個任務建議的刺激持續時間。
 

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實驗結論

此文通過實驗標準化了不同任務的刺激持續時間，checkerboard任務建議7s，手指戳擊任務建議5s，手指敲擊任務建議10s。而且，nitial dip只需更短的時間即可檢出，此時建議1s的刺激。

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

DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2993620