基于fNIRS-BCI的特定任务刺激持续时间的相关研究

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 研究背景

不同刺激类型对血液动力学反应（hemodynamic response，HR）信号的影响是fNIRS的研究领域之一。相关研究包括噪声刺激、checkerboard刺激。迄今为止的问题在于，关于刺激持续时间在不同脑区对HR信号影响的研究还未有，并且也缺少刺激时长的标准。此文将尝试使用不同的刺激类型对不同脑区的影响，并尝试将刺激标准化。
 

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研究方法
 

2.1、被试

十位男性被试，年龄在27.2 ± 4.5之间。所有被试健康，为右利手。
 

2.2、实验设定

设备使用ISS Imagent 的fNIRS。三种范式：右手食指敲击，右手食指戳击，checkerboard任务。每种任务刺激时长包括1,3,5,7,10,15s六种。右手食指敲击任务被要求越快越好，checkerboard任务被要求看19英寸的屏幕，右手食指戳击任务被要求以2Hz的频率随机戳任何位置。被试被随机指定三种任务的顺序，每个任务需完成6个trials，累计共18次任务。

2.3、设备设置

设备设置如下图，共4个探测器16个光源以690nm和830nm的波长工作，采样频率为15.625hz，光源按照10-20系统放置。

2.4、预处理

用4阶butterworth滤波器阻断0.15Hz以下的低频噪声。同时，根据每个trial持续的时间长短设定低通截至频率为1/持续时长，例如35s任务的低通截止频率为1/35-0.028Hz。用基于阈值的对偶向量相位分析来检测initial dip，向量包括ΔHbO, ΔHbR，ΔHbT，ΔCOE四个成分。

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研究结果

数据处理使用ISS Imagent提供的软件。

ΔHbO信号只有在1s戳击任务下检出initial dip，其他更长刺激持续时间为检出initial dip。在实验开始后5s信号达到峰值，12s后达到基线水平。每个刺激互相间隔20s左右才能互不影响。同时实验结果证明3s刺激任务并不能比1s刺激任务有更好的效果。

上表三个任务建议的刺激持续时间。
 

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实验结论

此文通过实验标准化了不同任务的刺激持续时间，checkerboard任务建议7s，手指戳击任务建议5s，手指敲击任务建议10s。而且，nitial dip只需更短的时间即可检出，此时建议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