时间：2021-06-03
应用一：肯定否定二分类意图识别
脑机接口（BCI）技术指在大脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接交流和控制的通道，其主要信号采集方式包括脑电图（EEG）、磁共振成像（MRI）、功能近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）等。其中fNIRS作为一种无创低成本的新成像模态，具有比EEG更强的运动鲁棒性、空间定位精度和抗电磁干扰能力，以及比fMRI显著的高时间分辨与低成本，因此fNIRS-BCI在如脊髓损伤患者的神经康复、运动障碍患者与外界的沟通交流以及脑控智能家居等众多领域得到了广泛的研究与应用。
在fNIRS-BCI的各种实际应用中，检测大脑微弱兴奋信号要求探测系统具有较高的灵敏度，准确捕捉大脑激活模式的动态变化需要其具有较高的时间分辨率，且为了更好地应用于临床诊疗与日常生活之中需要其能够直接反映被试心理。基于以上讨论，本团队应用一套基于锁相光子计数技术的高灵敏度fNIRS成像系统（系统实物图见图1）识别大脑意图：通过对被试的自身习惯与爱好等有关个人情况提问（实验流程见图2），使用其不同回答下测得的原始光强和血红蛋白浓度变化两种数据构建的线性判别分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）及支持向量机（Support Vector Machines，SVM）分别识别大脑思考下的不同作答，并通过光学拓扑（Optical Topography，OT）方法成像以定位其激活区域。最终获得如表1所示70%以上的分类准确率，表中上标1为原始光强数据结果，上标2为血红蛋白浓度变化数据结果，而氧合血红蛋白浓度变化的OT图显示此范式兴奋区域大致位于前额叶脑区下部分（见图3）。
图1 高灵敏度便携式fNIRS系统实物图
图2 实验流程图
表1原始光强与血红蛋白浓度变化数据下LDA与SVM的分类结果
图3 含氧血红蛋白不同回答下的光学拓扑成像图
应用二：fNIRS方法在肌氧测量中的应用
目前对于肌氧的测量方法主要有两种：直接采集人体动脉血样进行血气分析与利用无损脉搏血氧测量技术来检测动脉氧饱和度。其中常规的直接采集人体动脉的血样进行血气分析法是有创测量，且对血液标本采样要一些限制要求，不能作为实时监护的方法。而利用无损脉搏血氧测量技术来检测动脉氧饱和度不仅只能给出动脉血管的血氧饱和度，无法测定局部组织的总体氧含量，且在低血压、停循环和低灌注等情况下无法正常工作。
fNIRS检测组织氧代谢是近红外组织光学中一个重要分支,它基于被检测组织中氧合血红蛋白及还原血红蛋白在近红外谱区具有不同吸收光谱特征，利用近红外光谱技术进行组织氧含量的监测，可以直接或间接的检测生理功能变化和代谢过程，测量技术实现较为容易，操作简单。
基于以上讨论，本团队应用fNIRS方法通过对偏瘫患者在静息与电刺激两种状态下的总血红蛋白HbT、血氧饱和度OS与相对血氧饱和度relative OS三种参数的对比来评判其肌肉组织氧代谢情况，并判断对比不同辅助治疗手段下瘫痪病人下肢治疗情况，测量部位为大腿，改变参数为电刺激的电压与频率,具体测量过程见图12。最终结果显示施加电刺激下其总血红蛋白与血氧饱和度均有上升趋势且不同频率下区别大于不同电压时（见图13），其中0-120s与240s-360s为静息状态，120s-240s与360s-480s为施加电刺激状态。
图4 肌氧测量实验示意图
5Hz4V vs 400Hz4V：
400Hz_2V vs 400Hz_4V:
图5 不同状态氧代谢曲线图
