fNIRS在腦機(jī)接口領(lǐng)域的應(yīng)用：識別手部運動想象
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，如手肌無力、手麻痹、中風(fēng)后的手后遺癥，甚至是截肢的病人，也會失去或失去部分手部功能。因此，利用腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)來驅(qū)動外骨骼或假肢手來補(bǔ)償其手部功能具有重要研究意義。
在過去的幾十年里，腦機(jī)接口(BCI)系統(tǒng)作為那些有運動障礙的人和外部設(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)。運動想象(MI)是腦機(jī)接口的一種，它通過檢測大腦感覺運動皮層的激活來識別一個人的運動意圖。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，說明運動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的優(yōu)勢，BCI 系統(tǒng)需要通信信號的支持。功能近紅外光譜(fNIRS)是一種較新的腦機(jī)接口信號，具有時間分辨率高、空間分辨率高、便攜性好、佩戴方便等優(yōu)點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，研究員開展以下實驗。
研究方法
研究員共設(shè)計了五種手部 MI 動作，每個動作包含四個級別。實驗?zāi)康氖莾H使用從運動區(qū)和大腦其他相應(yīng)區(qū)域獲得的近紅外信號來對每個動作的四個級別進(jìn)行分類。這種類型的 MI 實驗以前從未試驗過。本實驗設(shè)計的動作屬于 Fugl-Meyer 評估表，可作為控制康復(fù)機(jī)器人的基本 BCI 技術(shù)，為未來使用 BCI 技術(shù)驅(qū)動外骨骼操縱器或假體手進(jìn)行復(fù)雜的手部運動訓(xùn)練奠定了基礎(chǔ)。
本研究采用 9 種分類方法和 9 種特征來確定如何將分類方法與特征結(jié)合起來，可為設(shè)計的 MI 分類任務(wù)提供一個合理的解決方案。
為了進(jìn)一步減少 fNIRS 通道的數(shù)量，采用 EMD 方法將原始 fNIRS 信號分解成幾個子模。通過計算每個 fNIRS 信號子模的最大方差，識別出與運動想象任務(wù)相關(guān)性最高的腦區(qū)，可以直接利用這些區(qū)域的 fNIRS 信號來完成運動想象任務(wù)。實驗結(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。
實驗方式
在此次實驗中，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），均為右手參加了測試。他們均為健康，無精神疾病或心理障礙史，提前被告知測試細(xì)節(jié)，并在正式測試前進(jìn)行了一個簡短的熱身測試。
在這項研究中，使用 Brite 24 (Artinis, Netherlands)采集近紅外數(shù)據(jù)，Brite 24 包含 24 個通道和 18 個光極（10個發(fā)射器和8個接收器）。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。
該實驗是在非實驗室環(huán)境中進(jìn)行的。共設(shè)計了五種不同的手 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 個級別，最大手運動范圍（MHMR）的0%、30%、60% 和 100%；DO、CG 和 SG 任務(wù)也分為 4 個級別，最大手握力（MHGF）的 0%、30%、60% 和 100%。值得注意的是，0% 實際上是一種放松狀態(tài)，可以適用于五個 MI 動作。
圖1、單次試驗的時間圖。在時間圖中：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)的單次試驗的時間圖。在圖 1 中，底部展示了整個試驗的 MI 任務(wù)的四個部分：在基線間隔（BI）期間，屏幕上顯示一個紅色圓圈，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)畫面，提醒被試想象；在任務(wù)間隔（TI）期間，屏幕上顯示一個綠色圓圈，被試執(zhí)行相應(yīng)的 MI 任務(wù)，持續(xù) 20 秒。
此外，當(dāng)被試想象這些動作時，也被要求低聲說出相應(yīng)的動作，以防止分心。一次試驗耗時 44 秒，每個級別的成像任務(wù)包含 30 條試驗。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（手成像開合的時間周期約為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，并在接下來的 18 秒內(nèi)持續(xù)保持。
與手部運動相關(guān)的大腦區(qū)域主要包括：初級運動皮層、運動前皮層和感覺運動皮層。由于受試者被要求對所進(jìn)行的 MI 任務(wù)進(jìn)行默念，因此也會考慮 Broca 區(qū)域。如圖2所示，fNIRS 檢測裝置的探針位置為：BA6 區(qū)運動前皮層（PMC）、BA4 區(qū)運動皮層（M1）、感覺運動皮層（S1）和 Broca 區(qū)。黃色點是發(fā)射光級，藍(lán)點是接收光級。
在正式收集數(shù)據(jù)之前，所有的被試都被多次告知實驗過程，直到他們能夠流利復(fù)述。對于 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。然后，以這種感覺為參考點，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。對于 DO,CG 和 SG，MHGF 取決于三個任務(wù)（數(shù)字反對，圓柱抓握，球形抓握）中測功機(jī)測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。每個級別的訓(xùn)練包括 10 項測試，以建立肌肉記憶。實驗流程如圖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。
實驗中收集到三種類型的信號：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)行三次試驗時的 fNIRS 信號。X 軸表示采樣點，一個試驗由1100個采樣點組成。因此，試驗一在0到1100之間，試驗二在1101到2200之間，試驗三在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 的開始時間，黑色虛線表示 TI 的開始時間。黑色實線和黃色垂直實線之間的區(qū)域是 BI 過程，黃色垂直實線和黑色垂直虛線之間的區(qū)域為 RI 和 TCI 過程，黑色垂直虛線和黑色實線之間的區(qū)域為 TI 過程，在圖 4a 中，當(dāng)信號曲線與黃線交叉時，紅色實線快速上升，藍(lán)色虛線略有變化，綠色虛線跟隨紅色實線變化。結(jié)果表明，TI 中紅色實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。這表明信號變化的強(qiáng)度與想象的手部運動范圍的大小成正比。
圖4：fNIRS信號，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
這些實驗是在非實驗室環(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，通過一個簡單的測試證明，當(dāng)被試面對熟悉的環(huán)境時，fNIRS信號波動相對較小。
在所提出的實驗范式中，僅收集 fNIRS 信號。不需要考慮不同生理信號之間的同步，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)接口信號的準(zhǔn)確性，原因是被試在長期測試中可能會搖頭（腦電圖信號容易受到搖頭行為的干擾，而fNIRS受影響較小）。雖然此次實驗設(shè)計的 MI 任務(wù)相對簡單，但它們是其他復(fù)雜手部動作的基礎(chǔ)。更重要的是，這些 MI 任務(wù)屬于 Fugl-Meyer 評估表中的經(jīng)典動作，這些手部動作的識別為腦機(jī)接口控制手部康復(fù)相關(guān)研究打下堅實基礎(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
在過去的幾十年里，腦機(jī)接口(BCI)系統(tǒng)作為那些有運動障礙的人和外部設(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)。運動想象(MI)是腦機(jī)接口的一種，它通過檢測大腦感覺運動皮層的激活來識別一個人的運動意圖。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，說明運動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的優(yōu)勢，BCI 系統(tǒng)需要通信信號的支持。功能近紅外光譜(fNIRS)是一種較新的腦機(jī)接口信號，具有時間分辨率高、空間分辨率高、便攜性好、佩戴方便等優(yōu)點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，研究員開展以下實驗。
研究方法
研究員共設(shè)計了五種手部 MI 動作，每個動作包含四個級別。實驗?zāi)康氖莾H使用從運動區(qū)和大腦其他相應(yīng)區(qū)域獲得的近紅外信號來對每個動作的四個級別進(jìn)行分類。這種類型的 MI 實驗以前從未試驗過。本實驗設(shè)計的動作屬于 Fugl-Meyer 評估表，可作為控制康復(fù)機(jī)器人的基本 BCI 技術(shù)，為未來使用 BCI 技術(shù)驅(qū)動外骨骼操縱器或假體手進(jìn)行復(fù)雜的手部運動訓(xùn)練奠定了基礎(chǔ)。
本研究采用 9 種分類方法和 9 種特征來確定如何將分類方法與特征結(jié)合起來，可為設(shè)計的 MI 分類任務(wù)提供一個合理的解決方案。
為了進(jìn)一步減少 fNIRS 通道的數(shù)量，采用 EMD 方法將原始 fNIRS 信號分解成幾個子模。通過計算每個 fNIRS 信號子模的最大方差，識別出與運動想象任務(wù)相關(guān)性最高的腦區(qū)，可以直接利用這些區(qū)域的 fNIRS 信號來完成運動想象任務(wù)。實驗結(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。
實驗方式
在此次實驗中，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），均為右手參加了測試。他們均為健康，無精神疾病或心理障礙史，提前被告知測試細(xì)節(jié)，并在正式測試前進(jìn)行了一個簡短的熱身測試。
在這項研究中，使用 Brite 24 (Artinis, Netherlands)采集近紅外數(shù)據(jù)，Brite 24 包含 24 個通道和 18 個光極（10個發(fā)射器和8個接收器）。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。
該實驗是在非實驗室環(huán)境中進(jìn)行的。共設(shè)計了五種不同的手 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 個級別，最大手運動范圍（MHMR）的0%、30%、60% 和 100%；DO、CG 和 SG 任務(wù)也分為 4 個級別，最大手握力（MHGF）的 0%、30%、60% 和 100%。值得注意的是，0% 實際上是一種放松狀態(tài)，可以適用于五個 MI 動作。
圖1 顯示了 MI 任務(wù)的單次試驗的時間圖。在圖 1 中，底部展示了整個試驗的 MI 任務(wù)的四個部分：在基線間隔（BI）期間，屏幕上顯示一個紅色圓圈，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)畫面，提醒被試想象；在任務(wù)間隔（TI）期間，屏幕上顯示一個綠色圓圈，被試執(zhí)行相應(yīng)的 MI 任務(wù)，持續(xù) 20 秒。
此外，當(dāng)被試想象這些動作時，也被要求低聲說出相應(yīng)的動作，以防止分心。一次試驗耗時 44 秒，每個級別的成像任務(wù)包含 30 條試驗。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（手成像開合的時間周期約為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，并在接下來的 18 秒內(nèi)持續(xù)保持。
與手部運動相關(guān)的大腦區(qū)域主要包括：初級運動皮層、運動前皮層和感覺運動皮層。由于受試者被要求對所進(jìn)行的 MI 任務(wù)進(jìn)行默念，因此也會考慮 Broca 區(qū)域。如圖2所示，fNIRS 檢測裝置的探針位置為：BA6 區(qū)運動前皮層（PMC）、BA4 區(qū)運動皮層（M1）、感覺運動皮層（S1）和 Broca 區(qū)。黃色點是發(fā)射光級，藍(lán)點是接收光級。
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驗過程，直到他們能夠流利復(fù)述。對于 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。然后，以這種感覺為參考點，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。對于 DO,CG 和 SG，MHGF 取決于三個任務(wù)（數(shù)字反對，圓柱抓握，球形抓握）中測功機(jī)測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。每個級別的訓(xùn)練包括 10 項測試，以建立肌肉記憶。實驗流程如圖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 的實驗過程,筆記本電腦是控制終端；iPad 或臺式機(jī)用于屏幕提示
實驗中收集到三種類型的信號：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)行三次試驗時的 fNIRS 信號。X 軸表示采樣點，一個試驗由1100個采樣點組成。因此，試驗一在0到1100之間，試驗二在1101到2200之間，試驗三在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 的開始時間，黑色虛線表示 TI 的開始時間。黑色實線和黃色垂直實線之間的區(qū)域是 BI 過程，黃色垂直實線和黑色垂直虛線之間的區(qū)域為 RI 和 TCI 過程，黑色垂直虛線和黑色實線之間的區(qū)域為 TI 過程，在圖 4a 中，當(dāng)信號曲線與黃線交叉時，紅色實線快速上升，藍(lán)色虛線略有變化，綠色虛線跟隨紅色實線變化。結(jié)果表明，TI 中紅色實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。這表明信號變化的強(qiáng)度與想象的手部運動范圍的大小成正比。
結(jié)果與討論
這些實驗是在非實驗室環(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，通過一個簡單的測試證明，當(dāng)被試面對熟悉的環(huán)境時，fNIRS信號波動相對較小。
在所提出的實驗范式中，僅收集 fNIRS 信號。不需要考慮不同生理信號之間的同步，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)接口信號的準(zhǔn)確性，原因是被試在長期測試中可能會搖頭（腦電圖信號容易受到搖頭行為的干擾，而fNIRS受影響較小）。雖然此次實驗設(shè)計的 MI 任務(wù)相對簡單，但它們是其他復(fù)雜手部動作的基礎(chǔ)。更重要的是，這些 MI 任務(wù)屬于 Fugl-Meyer 評估表中的經(jīng)典動作，這些手部動作的識別為腦機(jī)接口控制手部康復(fù)相關(guān)研究打下堅實基礎(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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