基于功能近红外光谱技术的脑机接口研究

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1、基于功能近红外光谱技术的脑机接口研究【摘要】我们将功能近红外光谱技术运用于脑机接口(brain-computerinterface,BCI)的研究中。通过动手指、想象动手指、听觉三个任务记录大脑的响应活动，计算Hurst指数，输入到BP神经网络中，建立了任务和脑响应的相关模型。实验结果表明，响应与任务的准确识别率达到了70%，说明了近红外光谱技术应用于脑机接口研究中的可能性。【关键词】功能近红外;脑机接口;脑影像;Hurst指数;神经网络　　Abstract：Inthearticle，Near-infraredspectroscopyis

2、usedonBrain-computerinterface′sdevelopment.Byrecordingbrainsignalsduringtaskssuchasfinger-tapping、imagingfinger-tappingandcallingbyname,calculatingtheHurstindex,thenusingHurstindexasinputofaBack-propagationneuralnetwork,amodeloftaskandbrainresponsewasconstructed.Theresult

3、sshowthattheaccuraterateisover70%,itispossibletousedNIRSonBCI.　　Keywords：Near-infraredspectroscopy;Braincomputerinterface;Brainimage;Hurstindex;Neuralnetwork11　　1引言　　神经生理学和神经影像学的出现加强了人类对脑的理解。通过脑电、正电子放射层扫描术、磁共振等影像手段，人们可以了解人类大脑的活动情况，即识别了大脑所处的状态。　　脑机装置通过测度脑神经活动并根据相应的神经活动而执行对

4、应的外部动作，以执行用户意图为目标[1]，它需要有稳定性、一致性及鲁棒性以满足用户体验。通过识别出大脑状态并与相应的状态响应融合，实现完成用户意图这种特定功能。随着影像设备成本的降低以及信号处理手段的提高，脑影像的应用越来越广泛，脑机接口也越加受到人们的关注。本文中，基于近红外光谱技术的脑机接口结构见图1。　　目前主流的脑机接口都是基于脑电的，但1977年Jobsis发现了可以通过光学手段来检测深层脑活动[2]。由于功能近红外光谱技术(functionalnear-infraredspectroscopy,FNIRS)可以安全、便携、经济

5、以　　图1基于功能近红外成像技术的脑机接口结构示意图　　Fig1StructureofBCIbasedon11FNIRS及非侵入式的检测脑活动等特性[3]，使得FNIRS在脑机接口的应用具有中的良好前景。图2是脑磁图、正电子放射层扫描术、功能磁共振、扩散光等成像方法在时间、空间分辨率上的比较[4]。从中可以看出，功能近红外光谱技术在时间、空间分辨率上介于其它成像方法之间，时间分辨率较高，同时也有较好的空间分辨率。　　2近红外光谱技术的特点　　当生物组织被光照射时，存在着这样一种“光学窗”效应[5]，即光通过生物组织时，有的光谱会被吸收，而

6、有些光谱则能透射出生物体，从而使得生物体内部组织可见。近红外波长处于650～950nm之间，在生物体中就具有很好的“光学窗”效应。在人脑中，氧合血红蛋白(oxy-hemoglobin,Hbo2)和脱氧血红蛋白(deoxy-hemoglobin,Hbr)是近红外光的主要吸收者，见图3。同时，这两种物质也是人体新陈　　onnear-infraredwavelengths代谢的重要标志，它们可以反映大脑的活动状态。通过这些特性，可以使用功能近红外光谱成像来反映人脑活动，应用于脑机仪器的研究中。11　　比尔-朗伯特定律描述了光在物质中传播会以指数

7、形式衰减的规律，且在不同物质衰减系数不同。当近红外光在生物组织中传播时,不仅有吸收，还有散射，这是近红外光在组生物体织中的传播模型，它遵循广义比尔-朗伯特定律[6]。　　3数据采集　　在本文中，所有实验均是组块设计实验，包含了三个任务，分别为：(1)Task1：动手指;(2)Task2：想象动手指;(3)Task3：唤名任务。　　实验任务时间均为120s，其中，任务(1)和任务(2)的单个trial40s，总计有3个trial;任务(3)中单个trial60s，总计2个trial(实验时序见图4)。任务(1)和任务(2)中头盔排布在被试的

8、感觉运动区，任务(3)排布在听觉区(均以broadmann分区)。总计采集了60组次数据，其中任务(1)20组、任务(2)20组、任务(3)20组。实验数据采集仪器为CW5系统，美国TechE