fNIRS在腦機(jī)接口領(lǐng)域的應(yīng)用：識(shí)別手部運(yùn)動(dòng)想象
在日常生活中，上肢功能占全身功能的60%，而手指功能占上肢功能的90%。全手功能在人們的工作和日常生活中起著非常重要的作用。然而，一些患者，如手肌無(wú)力、手麻痹、中風(fēng)后的手后遺癥，甚至是截肢的病人，也會(huì)失去或失去部分手部功能。因此，利用腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)外骨骼或假肢手來(lái)補(bǔ)償其手部功能具有重要研究意義。
在過(guò)去的幾十年里，腦機(jī)接口(BCI)系統(tǒng)作為那些有運(yùn)動(dòng)障礙的人和外部設(shè)備之間的通信媒介被廣泛使用。BCI 是一種利用大腦活動(dòng)模式代替周圍神經(jīng)和肌肉，提供與外部通信的替代技術(shù)。運(yùn)動(dòng)想象(MI)是腦機(jī)接口的一種，它通過(guò)檢測(cè)大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的激活來(lái)識(shí)別一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)意圖。感官侏儒圖表明控制手部的皮質(zhì)區(qū)域占總皮質(zhì)區(qū)域的比例最大，其比例越大，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)可以得到更好的控制。因此，利用 BCI 技術(shù)進(jìn)行手部 MI 是可行的。然而要利用大腦活動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，BCI 系統(tǒng)需要通信信號(hào)的支持。功能近紅外光譜(fNIRS)是一種較新的腦機(jī)接口信號(hào)，具有時(shí)間分辨率高、空間分辨率高、便攜性好、佩戴方便等優(yōu)點(diǎn)引起了專家們的注意，關(guān)于 fNIRS 在腦機(jī)接口領(lǐng)域的應(yīng)用，科學(xué)家在 MI 領(lǐng)域已經(jīng)做了一些研究，再此基礎(chǔ)上，研究員開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)。
研究方法
研究員共設(shè)計(jì)了五種手部 MI 動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作包含四個(gè)級(jí)別。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖莾H使用從運(yùn)動(dòng)區(qū)和大腦其他相應(yīng)區(qū)域獲得的近紅外信號(hào)來(lái)對(duì)每個(gè)動(dòng)作的四個(gè)級(jí)別進(jìn)行分類。這種類型的 MI 實(shí)驗(yàn)以前從未試驗(yàn)過(guò)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)作屬于 Fugl-Meyer 評(píng)估表，可作為控制康復(fù)機(jī)器人的基本 BCI 技術(shù)，為未來(lái)使用 BCI 技術(shù)驅(qū)動(dòng)外骨骼操縱器或假體手進(jìn)行復(fù)雜的手部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練奠定了基礎(chǔ)。
本研究采用 9 種分類方法和 9 種特征來(lái)確定如何將分類方法與特征結(jié)合起來(lái)，可為設(shè)計(jì)的 MI 分類任務(wù)提供一個(gè)合理的解決方案。
為了進(jìn)一步減少 fNIRS 通道的數(shù)量，采用 EMD 方法將原始 fNIRS 信號(hào)分解成幾個(gè)子模。通過(guò)計(jì)算每個(gè) fNIRS 信號(hào)子模的最大方差，識(shí)別出與運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)相關(guān)性最高的腦區(qū)，可以直接利用這些區(qū)域的 fNIRS 信號(hào)來(lái)完成運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)置下的分類精度非常接近所有 fNIRS 的分類精度渠道。
實(shí)驗(yàn)方式
在此次實(shí)驗(yàn)中，共有 6 名健康志愿者包含 1 名女性和 5 名男性，年齡33.3 ± 4.7（平均±SD），均為右手參加了測(cè)試。他們均為健康，無(wú)精神疾病或心理障礙史，提前被告知測(cè)試細(xì)節(jié)，并在正式測(cè)試前進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)短的熱身測(cè)試。
在這項(xiàng)研究中，使用 Brite 24 (Artinis, Netherlands)采集近紅外數(shù)據(jù)，Brite 24 包含 24 個(gè)通道和 18 個(gè)光極（10個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器）。接收器-發(fā)射器距離為 3cm，采樣頻率設(shè)置為 25Hz。為了使測(cè)量更加準(zhǔn)確，該裝置配備了三種電極帽：大、中、小，可以根據(jù)被試頭部的不同大小進(jìn)行選擇。
該實(shí)驗(yàn)是在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的。共設(shè)計(jì)了五種不同的手 MI 任務(wù)，包括手屈伸（GFE）、鉤狀抓握（HG）、數(shù)字對(duì)抗（DO）、圓柱形抓握（CG）和球形抓握（SG）。GFE 和 HG 任務(wù)進(jìn)一步分為 4 個(gè)級(jí)別，最大手運(yùn)動(dòng)范圍（MHMR）的0%、30%、60% 和 100%；DO、CG 和 SG 任務(wù)也分為 4 個(gè)級(jí)別，最大手握力（MHGF）的 0%、30%、60% 和 100%。值得注意的是，0% 實(shí)際上是一種放松狀態(tài)，可以適用于五個(gè) MI 動(dòng)作。
圖1、單次試驗(yàn)的時(shí)間圖。在時(shí)間圖中：基線間隔（BI）、隨機(jī)休息（RR）、準(zhǔn)備間隔（RI）、任務(wù)提示間隔（TCI）和任務(wù)間隔（TI）
圖1 顯示了 MI 任務(wù)的單次試驗(yàn)的時(shí)間圖。在圖 1 中，底部展示了整個(gè)試驗(yàn)的 MI 任務(wù)的四個(gè)部分：在基線間隔（BI）期間，屏幕上顯示一個(gè)紅色圓圈，被試看到它 20 秒，保持放松和靜止；在準(zhǔn)備間隔（RI）期間，屏幕上出現(xiàn)一個(gè)黃色圓圈，提醒被試準(zhǔn)備 MI 任務(wù)；在任務(wù)提示間隔（TCI）期間，屏幕上顯示任務(wù)畫(huà)面，提醒被試想象；在任務(wù)間隔（TI）期間，屏幕上顯示一個(gè)綠色圓圈，被試執(zhí)行相應(yīng)的 MI 任務(wù)，持續(xù) 20 秒。
此外，當(dāng)被試想象這些動(dòng)作時(shí)，也被要求低聲說(shuō)出相應(yīng)的動(dòng)作，以防止分心。一次試驗(yàn)耗時(shí) 44 秒，每個(gè)級(jí)別的成像任務(wù)包含 30 條試驗(yàn)。圖 1 中間顯示 5種不同的 MI 任務(wù)，左邊兩張圖片是 GFE 和 HG MI任務(wù)并顯示 0%、30%、60%和 100% 的 MHMR（手成像開(kāi)合的時(shí)間周期約為6-8s）；右邊三張圖片表示 DO、CG 和 SG MI 任務(wù)并顯示 MHGF 的0%、30%、60%和 100% 。被試需要在 2 秒內(nèi)完成，并在接下來(lái)的 18 秒內(nèi)持續(xù)保持。
與手部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦區(qū)域主要包括：初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、運(yùn)動(dòng)前皮層和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層。由于受試者被要求對(duì)所進(jìn)行的 MI 任務(wù)進(jìn)行默念，因此也會(huì)考慮 Broca 區(qū)域。如圖2所示，fNIRS 檢測(cè)裝置的探針位置為：BA6 區(qū)運(yùn)動(dòng)前皮層（PMC）、BA4 區(qū)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層（S1）和 Broca 區(qū)。黃色點(diǎn)是發(fā)射光級(jí)，藍(lán)點(diǎn)是接收光級(jí)。
在正式收集數(shù)據(jù)之前，所有的被試都被多次告知實(shí)驗(yàn)過(guò)程，直到他們能夠流利復(fù)述。對(duì)于 GFE 和 HG，他們被要求盡可能最大限度地伸展四根手指，持續(xù)大約 30 秒，以記住手部肌肉的感覺(jué)。然后，以這種感覺(jué)為參考點(diǎn)，他們應(yīng)該將手拉伸或彎曲 MHMR 的60%、30%和0%，并記住手部肌肉在此范圍的感覺(jué)。對(duì)于 DO,CG 和 SG，MHGF 取決于三個(gè)任務(wù)（數(shù)字反對(duì)，圓柱抓握，球形抓握）中測(cè)功機(jī)測(cè)得的最大力的平均值。
被試每3分鐘休息一次。完成 MHGF 任務(wù)后，要求被試用手測(cè)功機(jī)做DO、CG 和 SG，目標(biāo)是 MHGF 的60%、30%和0%，持續(xù) 2 秒，然后保持手靜止 10 秒。每個(gè)級(jí)別的訓(xùn)練包括 10 項(xiàng)測(cè)試，以建立肌肉記憶。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。受試者坐在舒適的扶手椅上，手臂自然地放在桌子上。
實(shí)驗(yàn)中收集到三種類型的信號(hào)：氧合血紅蛋白（Oxy-Hb)）、脫氧血紅蛋白（Deoxy-Hb）和血紅蛋白總量（THB）。如圖4a所示，紅色實(shí)線為氧合血紅蛋白，藍(lán)色虛線為脫氧血紅蛋白，綠色虛線為紅蛋白總量。圖4顯示了被試進(jìn)行三次試驗(yàn)時(shí)的 fNIRS 信號(hào)。X 軸表示采樣點(diǎn)，一個(gè)試驗(yàn)由1100個(gè)采樣點(diǎn)組成。因此，試驗(yàn)一在0到1100之間，試驗(yàn)二在1101到2200之間，試驗(yàn)三在2201到3300之間。Y 軸表示 fNIRS 的濃度。在圖4a中，被試的 MI 是 GFE MI任務(wù)的MHMR的30%。黃色垂直線的位置表示RI 的開(kāi)始時(shí)間，黑色虛線表示 TI 的開(kāi)始時(shí)間。黑色實(shí)線和黃色垂直實(shí)線之間的區(qū)域是 BI 過(guò)程，黃色垂直實(shí)線和黑色垂直虛線之間的區(qū)域?yàn)?RI 和 TCI 過(guò)程，黑色垂直虛線和黑色實(shí)線之間的區(qū)域?yàn)?TI 過(guò)程，在圖 4a 中，當(dāng)信號(hào)曲線與黃線交叉時(shí)，紅色實(shí)線快速上升，藍(lán)色虛線略有變化，綠色虛線跟隨紅色實(shí)線變化。結(jié)果表明，TI 中紅色實(shí)線和綠色虛線的平均振幅高于 BI，而藍(lán)色虛線的振幅變化不大。因此，選擇紅色實(shí)線的數(shù)據(jù)用于后面分析。圖 4b 顯示了不同的四條顏色線（紅色、藍(lán)色、綠色和粉色），分別代表四種 GFE（MHMR的0%、30%、60%和100%）的 Oxy-Hb 水平。從圖 4b 中可以看出，粉紅色曲線發(fā)生了巨大變化，其次從高到低變化幅度依次是綠色、藍(lán)色和紅色。這表明信號(hào)變化的強(qiáng)度與想象的手部運(yùn)動(dòng)范圍的大小成正比。
圖4：fNIRS信號(hào)，4a表示 GFE 期間 MHMR 的30%任務(wù)中的 Oxy-Hb、Deoxy-Hb和THB。4b表示 GFE期間四種水平的氧合血紅蛋白
結(jié)果與討論
這些實(shí)驗(yàn)是在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，熟悉的環(huán)境使被試表現(xiàn)更為自然。同時(shí)，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試證明，當(dāng)被試面對(duì)熟悉的環(huán)境時(shí)，fNIRS信號(hào)波動(dòng)相對(duì)較小。
在所提出的實(shí)驗(yàn)范式中，僅收集 fNIRS 信號(hào)。不需要考慮不同生理信號(hào)之間的同步，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，也更有利于收集腦機(jī)接口信號(hào)的準(zhǔn)確性，原因是被試在長(zhǎng)期測(cè)試中可能會(huì)搖頭（腦電圖信號(hào)容易受到搖頭行為的干擾，而fNIRS受影響較�。�。雖然此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 MI 任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但它們是其他復(fù)雜手部動(dòng)作的基礎(chǔ)。更重要的是，這些 MI 任務(wù)屬于 Fugl-Meyer 評(píng)估表中的經(jīng)典動(dòng)作，這些手部動(dòng)作的識(shí)別為腦機(jī)接口控制手部康復(fù)相關(guān)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：Li, C., Yang, H. & Cheng, L. Fugl-Meyer hand motor imagination recognition forbrain–computer interfaces using only fNIRS. Complex Intell. Syst. 8, 731–741 (2022). https://doi.org/10.1007/s40747-020-00266-w
在過(guò)去的幾十年里，腦機(jī)接口(BCI)系統(tǒng)作為那些有運(yùn)動(dòng)障礙的人和外部設(shè)備之間的通信媒介被廣泛使用。BCI 是一種利用大腦活動(dòng)模式代替周圍神經(jīng)和肌肉，提供與外部通信的替代技術(shù)。運(yùn)動(dòng)想象(MI)是腦機(jī)接口的一種，它通過(guò)檢測(cè)大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的激活來(lái)識(shí)別一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)意圖。感官侏儒圖表明控制手部的皮質(zhì)區(qū)域占總皮質(zhì)區(qū)域的比例最大，其比例越大，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)可以得到更好的控制。因此，利用 BCI 技術(shù)進(jìn)行手部 MI 是可行的。然而要利用大腦活動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，BCI 系統(tǒng)需要通信信號(hào)的支持。功能近紅外光譜(fNIRS)是一種較新的腦機(jī)接口信號(hào)，具有時(shí)間分辨率高、空間分辨率高、便攜性好、佩戴方便等優(yōu)點(diǎn)引起了專家們的注意，關(guān)于 fNIRS 在腦機(jī)接口領(lǐng)域的應(yīng)用，科學(xué)家在 MI 領(lǐng)域已經(jīng)做了一些研究，再此基礎(chǔ)上，研究員開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)。
研究方法
研究員共設(shè)計(jì)了五種手部 MI 動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作包含四個(gè)級(jí)別。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖莾H使用從運(yùn)動(dòng)區(qū)和大腦其他相應(yīng)區(qū)域獲得的近紅外信號(hào)來(lái)對(duì)每個(gè)動(dòng)作的四個(gè)級(jí)別進(jìn)行分類。這種類型的 MI 實(shí)驗(yàn)以前從未試驗(yàn)過(guò)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)作屬于 Fugl-Meyer 評(píng)估表，可作為控制康復(fù)機(jī)器人的基本 BCI 技術(shù)，為未來(lái)使用 BCI 技術(shù)驅(qū)動(dòng)外骨骼操縱器或假體手進(jìn)行復(fù)雜的手部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練奠定了基礎(chǔ)。
本研究采用 9 種分類方法和 9 種特征來(lái)確定如何將分類方法與特征結(jié)合起來(lái)，可為設(shè)計(jì)的 MI 分類任務(wù)提供一個(gè)合理的解決方案。
為了進(jìn)一步減少 fNIRS 通道的數(shù)量，采用 EMD 方法將原始 fNIRS 信號(hào)分解成幾個(gè)子模。通過(guò)計(jì)算每個(gè) fNIRS 信號(hào)子模的最大方差，識(shí)別出與運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)相關(guān)性最高的腦區(qū)，可以直接利用這些區(qū)域的 fNIRS 信號(hào)來(lái)完成運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)置下的分類精度非常接近所有 fNIRS 的分類精度渠道。
實(shí)驗(yàn)方式
在此次實(shí)驗(yàn)中，共有 6 名健康志愿者包含 1 名女性和 5 名男性，年齡33.3 ± 4.7（平均±SD），均為右手參加了測(cè)試。他們均為健康，無(wú)精神疾病或心理障礙史，提前被告知測(cè)試細(xì)節(jié)，并在正式測(cè)試前進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)短的熱身測(cè)試。
在這項(xiàng)研究中，使用 Brite 24 (Artinis, Netherlands)采集近紅外數(shù)據(jù)，Brite 24 包含 24 個(gè)通道和 18 個(gè)光極（10個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器）。接收器-發(fā)射器距離為 3cm，采樣頻率設(shè)置為 25Hz。為了使測(cè)量更加準(zhǔn)確，該裝置配備了三種電極帽：大、中、小，可以根據(jù)被試頭部的不同大小進(jìn)行選擇。
該實(shí)驗(yàn)是在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的。共設(shè)計(jì)了五種不同的手 MI 任務(wù)，包括手屈伸（GFE）、鉤狀抓握（HG）、數(shù)字對(duì)抗（DO）、圓柱形抓握（CG）和球形抓握（SG）。GFE 和 HG 任務(wù)進(jìn)一步分為 4 個(gè)級(jí)別，最大手運(yùn)動(dòng)范圍（MHMR）的0%、30%、60% 和 100%；DO、CG 和 SG 任務(wù)也分為 4 個(gè)級(jí)別，最大手握力（MHGF）的 0%、30%、60% 和 100%。值得注意的是，0% 實(shí)際上是一種放松狀態(tài)，可以適用于五個(gè) MI 動(dòng)作。
圖1 顯示了 MI 任務(wù)的單次試驗(yàn)的時(shí)間圖。在圖 1 中，底部展示了整個(gè)試驗(yàn)的 MI 任務(wù)的四個(gè)部分：在基線間隔（BI）期間，屏幕上顯示一個(gè)紅色圓圈，被試看到它 20 秒，保持放松和靜止；在準(zhǔn)備間隔（RI）期間，屏幕上出現(xiàn)一個(gè)黃色圓圈，提醒被試準(zhǔn)備 MI 任務(wù)；在任務(wù)提示間隔（TCI）期間，屏幕上顯示任務(wù)畫(huà)面，提醒被試想象；在任務(wù)間隔（TI）期間，屏幕上顯示一個(gè)綠色圓圈，被試執(zhí)行相應(yīng)的 MI 任務(wù)，持續(xù) 20 秒。
此外，當(dāng)被試想象這些動(dòng)作時(shí)，也被要求低聲說(shuō)出相應(yīng)的動(dòng)作，以防止分心。一次試驗(yàn)耗時(shí) 44 秒，每個(gè)級(jí)別的成像任務(wù)包含 30 條試驗(yàn)。圖 1 中間顯示 5種不同的 MI 任務(wù)，左邊兩張圖片是 GFE 和 HG MI任務(wù)并顯示 0%、30%、60%和 100% 的 MHMR（手成像開(kāi)合的時(shí)間周期約為6-8s）；右邊三張圖片表示 DO、CG 和 SG MI 任務(wù)并顯示 MHGF 的0%、30%、60%和 100% 。被試需要在 2 秒內(nèi)完成，并在接下來(lái)的 18 秒內(nèi)持續(xù)保持。
與手部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦區(qū)域主要包括：初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、運(yùn)動(dòng)前皮層和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層。由于受試者被要求對(duì)所進(jìn)行的 MI 任務(wù)進(jìn)行默念，因此也會(huì)考慮 Broca 區(qū)域。如圖2所示，fNIRS 檢測(cè)裝置的探針位置為：BA6 區(qū)運(yùn)動(dòng)前皮層（PMC）、BA4 區(qū)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層（S1）和 Broca 區(qū)。黃色點(diǎn)是發(fā)射光級(jí)，藍(lán)點(diǎn)是接收光級(jí)。
圖2、光電極排列。左側(cè)圖為二維視圖；右側(cè)圖為三維視圖。
在正式收集數(shù)據(jù)之前，所有的被試都被多次告知實(shí)驗(yàn)過(guò)程，直到他們能夠流利復(fù)述。對(duì)于 GFE 和 HG，他們被要求盡可能最大限度地伸展四根手指，持續(xù)大約 30 秒，以記住手部肌肉的感覺(jué)。然后，以這種感覺(jué)為參考點(diǎn)，他們應(yīng)該將手拉伸或彎曲 MHMR 的60%、30%和0%，并記住手部肌肉在此范圍的感覺(jué)。對(duì)于 DO,CG 和 SG，MHGF 取決于三個(gè)任務(wù)（數(shù)字反對(duì)，圓柱抓握，球形抓握）中測(cè)功機(jī)測(cè)得的最大力的平均值。
被試每3分鐘休息一次。完成 MHGF 任務(wù)后，要求被試用手測(cè)功機(jī)做DO、CG 和 SG，目標(biāo)是 MHGF 的60%、30%和0%，持續(xù) 2 秒，然后保持手靜止 10 秒。每個(gè)級(jí)別的訓(xùn)練包括 10 項(xiàng)測(cè)試，以建立肌肉記憶。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。受試者坐在舒適的扶手椅上，手臂自然地放在桌子上。
圖3：MI 的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,筆記本電腦是控制終端；iPad 或臺(tái)式機(jī)用于屏幕提示
實(shí)驗(yàn)中收集到三種類型的信號(hào)：氧合血紅蛋白（Oxy-Hb)）、脫氧血紅蛋白（Deoxy-Hb）和血紅蛋白總量（THB）。如圖4a所示，紅色實(shí)線為氧合血紅蛋白，藍(lán)色虛線為脫氧血紅蛋白，綠色虛線為紅蛋白總量。圖4顯示了被試進(jìn)行三次試驗(yàn)時(shí)的 fNIRS 信號(hào)。X 軸表示采樣點(diǎn)，一個(gè)試驗(yàn)由1100個(gè)采樣點(diǎn)組成。因此，試驗(yàn)一在0到1100之間，試驗(yàn)二在1101到2200之間，試驗(yàn)三在2201到3300之間。Y 軸表示 fNIRS 的濃度。在圖4a中，被試的 MI 是 GFE MI任務(wù)的MHMR的30%。黃色垂直線的位置表示RI 的開(kāi)始時(shí)間，黑色虛線表示 TI 的開(kāi)始時(shí)間。黑色實(shí)線和黃色垂直實(shí)線之間的區(qū)域是 BI 過(guò)程，黃色垂直實(shí)線和黑色垂直虛線之間的區(qū)域?yàn)?RI 和 TCI 過(guò)程，黑色垂直虛線和黑色實(shí)線之間的區(qū)域?yàn)?TI 過(guò)程，在圖 4a 中，當(dāng)信號(hào)曲線與黃線交叉時(shí)，紅色實(shí)線快速上升，藍(lán)色虛線略有變化，綠色虛線跟隨紅色實(shí)線變化。結(jié)果表明，TI 中紅色實(shí)線和綠色虛線的平均振幅高于 BI，而藍(lán)色虛線的振幅變化不大。因此，選擇紅色實(shí)線的數(shù)據(jù)用于后面分析。圖 4b 顯示了不同的四條顏色線（紅色、藍(lán)色、綠色和粉色），分別代表四種 GFE（MHMR的0%、30%、60%和100%）的 Oxy-Hb 水平。從圖 4b 中可以看出，粉紅色曲線發(fā)生了巨大變化，其次從高到低變化幅度依次是綠色、藍(lán)色和紅色。這表明信號(hào)變化的強(qiáng)度與想象的手部運(yùn)動(dòng)范圍的大小成正比。
結(jié)果與討論
這些實(shí)驗(yàn)是在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，熟悉的環(huán)境使被試表現(xiàn)更為自然。同時(shí)，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試證明，當(dāng)被試面對(duì)熟悉的環(huán)境時(shí)，fNIRS信號(hào)波動(dòng)相對(duì)較小。
在所提出的實(shí)驗(yàn)范式中，僅收集 fNIRS 信號(hào)。不需要考慮不同生理信號(hào)之間的同步，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，也更有利于收集腦機(jī)接口信號(hào)的準(zhǔn)確性，原因是被試在長(zhǎng)期測(cè)試中可能會(huì)搖頭（腦電圖信號(hào)容易受到搖頭行為的干擾，而fNIRS受影響較�。�。雖然此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 MI 任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但它們是其他復(fù)雜手部動(dòng)作的基礎(chǔ)。更重要的是，這些 MI 任務(wù)屬于 Fugl-Meyer 評(píng)估表中的經(jīng)典動(dòng)作，這些手部動(dòng)作的識(shí)別為腦機(jī)接口控制手部康復(fù)相關(guān)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：Li, C., Yang, H. & Cheng, L. Fugl-Meyer hand motor imagination recognition forbrain–computer interfaces using only fNIRS. Complex Intell. Syst. 8, 731–741 (2022). https://doi.org/10.1007/s40747-020-00266-w
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