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脑-机接口（BCI）相关术语 连载(十一) 昆明理工大学伏云发教授团队 【导读】为了方便脑机接口（Brain-computer interface，BCI）初学者、中级和高级研发者查阅或精准理解BCI相关术语，本章列出了BCI相关术语。第1节为前言，第2节列出了与BCI直接相关的术语，第3节列出了与BCI紧密相关的术语，后面的几节分别列出了在BCI文献中使用的若干术语，包括BCI用户相关术语、实用BCI相关术语、用于BCI的脑神经电磁信号和脑组织血氧水平记录相关术语、BCI相关脑结构与功能术语，以及BCI相关的其他术语。这种列举方式是为了整理BCI相关术语的方便，不是绝对的，也不是标准，仅供参考，目的是为了方便查询或理解BCI相关术语。 目录 1.1-2.15节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（一） 3.1 -3.4节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（二） 3.5-3.12节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（三） 4.1-4.5节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（四） 4.6-4.11节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（五） 5.1-5.10节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（六） 5.11-5.17节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（七） 6.1-6.7节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（八） 6.8-6.15节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（九） 7.1-7.3节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（十）
第7节 用于BCI的脑组织血氧水平记录相关术语 7.4 功能近红外光谱（fNIRS） 功能近红外光谱（fNIRS）是一种非侵入性脑成像技术，通过发射近红外光（650-1000 nm）并测量大脑皮层区域反射的光，来检测脑组织中血液的氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度变化。这种技术可用来评估脑部血流动力学响应，从而推断大脑活动情况。与fMRI相比，fNIRS具有相对较高的时间分辨率，并且由于其便携性和舒适性，常用于认知、情感和运动任务的研究中。fNIRS能够捕捉与大脑活动相关的血氧水平变化，这些信号可被用于识别用户的意图，从而实现基于fNIRS的BCI。 fNIRS 的空间分辨率较低，通常在厘米级范围内，具体的空间分辨率取决于光电探头之间的距离和实验设计，理解和优化空间分辨率是 fNIRS-BCI 系统研发的重要方面。fNIRS 的时间分辨率通常在100毫秒到1秒之间，高于fMRI，能够相对快速地捕捉脑部血氧水平的变化，而fMRI由于其BOLD信号的特性，反映的是神经活动后的血流变化，具有一定的滞后性，其时间分辨率相对较低，通常在秒级。然而，fNIRS的时间分辨率低于EEG ，时间分辨率的优化在 fNIRS-BCI 系统中对于实时解码非常关键。fNIRS通常与 EEG 等技术结合使用，以增强 BCI 系统的性能。fNIRS 提供的血氧动力学信息可以与EEG 的电活动信息互补，从而提高解码精度和系统的鲁棒性。文献[233-234]详细介绍了fNIRS技术。 7.4.1 血氧饱和度（Oxygen Saturation, SO2） 血氧饱和度（SO2）是血液中氧合血红蛋白（HbO₂）占总血红蛋白（包括氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白）的百分比，反映了血液携带氧气的能力。可通过fNIRS检测血氧饱和度的变化来推测大脑的局部神经活动[235]。这一信号可能用于 fNIRS-BCI 系统中识别大脑活动[236]。 7.4.2 脱氧血红蛋白（Deoxyhemoglobin, HbR） 脱氧血红蛋白（HbR）是没有结合氧分子的血红蛋白。当红细胞中的血红蛋白从组织中释放出氧气后，血红蛋白分子变成脱氧血红蛋白。HbR是血液中运输二氧化碳的主要形式，并且在脑血流中的浓度变化常用于评估脑部的代谢活动和血流动力学响应。当某个脑区域被激活时，该区域的血流量增加，通常伴随着HbO2的增加和HbR的减少。 可通过fNIRS 检测HbR 浓度的变化，这种变化与神经活动具有相关性，是 fNIRS-BCI 中常用的特征。文献[233][237]提供了关于脱氧血红蛋白在fNIRS中的测量及其在BCI应用中的作用，解释了如何通过HbR的浓度变化来解读脑部活动。 7.4.3 氧合血红蛋白（Oxyhemoglobin, HbO2） 氧合血红蛋白（HbO2）是结合了氧分子的血红蛋白，主要负责将氧气从肺部输送到全身的组织。HbO₂是动脉血中主要存在的形式，当红细胞释放氧气到组织中时，氧合血红蛋白便转化为脱氧血红蛋白。 fNIRS 测量的脑组织中 HbO2 变化反映了局部脑区的氧供应和神经活动，当某个脑区被激活时，局部脑血流增加，通常表现为HbO2的浓度升高。在 fNIRS-BCI 系统中，HbO2 是识别大脑活动的重要特征，通过测量HbO2的浓度变化，fNIRS能够实时监测脑活动。文献[233][237]解释了HbO2在fNIRS技术中的重要性，并说明了其在BCI系统中如何用于实时监测和解读脑活动。 7.4.4 光程差（Differential Pathlength Difference, DPD） 光程差（DPD）是光在通过某种介质（如脑组织）时的实际路径长度与理想路径长度之间的差异。具体来说，它是在探测器与光源之间的光传播路径上，由于组织的不均匀性、光散射及吸收等因素造成的光程增加。DPD 是影响 fNIRS 数据质量的重要因素，必须进行校正才能确保数据准确性，这在 fNIRS-BCI 系统中尤为重要。文献[238-239]提供了关于DPD在脑组织光学成像中的作用和影响。 7.4.5 任务态 fNIRS（Task-based fNIRS） 任务态 fNIRS（Task-based fNIRS）通过测量用户在执行特定任务时大脑的血氧水平变化，来监测和分析大脑的活动。任务态fNIRS主要用于研究脑功能活动的区域性差异，如在不同的认知、运动或感知任务期间，特定大脑区域的活跃程度。任务态fNIRS在BCI研究中越来越受到重视，因为它能够提供非侵入性、相对便携的脑功能监测，尤其是在涉及运动、语言和执行功能等任务的应用中。 在任务态fNIRS研究中，任务的时间通常根据实验设计的具体目标而有所不同，但常见的任务时长通常在数十秒到几分钟不等。任务时间需要足够长，以捕捉到稳定的脑血流和氧合反应，同时也要考虑被试的疲劳程度和注意力保持。 任务态fNIRS在BCI系统中的应用主要体现在以下几个方面。 1）脑血氧变化信号解码。任务态fNIRS提供的血氧变化信号可以作为 BCI 系统的输入信号，用于解码用户意图。例如，通过识别用户在特定任务期间的脑血氧活动模式，fNIRS-BCI系统可以推断用户的认知状态或意图。 2）fNIRS-BCI训练。任务态fNIRS可以帮助用户在fNIRS-BCI系统中进行训练，特别是针对某些需要专注力或执行功能的任务，通过fNIRS信号反馈，用户能够更好地了解并调节自己的脑活动。 3）多模态结合。fNIRS常常与其他脑成像技术（如EEG）结合使用，以提高 BCI 系统的精度和鲁棒性。这种多模态方法能够综合利用不同技术的优点，弥补单一技术的不足。 文献[233][240-241]为任务态fNIRS方法提供了详细的信息。 7.4.6 静息态功能近红外光谱（Resting-State fNIRS, rs-fNIRS） 静息态功能近红外光谱（rs-fNIRS）是测量大脑在静息状态下自发神经活动相关血氧变化。静息态fNIRS记录大脑在没有特定任务或刺激下的血氧变化，可用于研究大脑不同区域之间的功能连接性和神经网络的活动。 在静息态fNIRS研究中，要求受试者保持清醒放松无任务状态，通常持续5到20分钟不等，以便记录足够的自发活动数据。 静息态fNIRS具有评估大脑功能状态的潜力，可用于fNIRS-BCI系统的基线数据采集和用户状态监测。它有助于了解不同状态下大脑的功能连接性，帮助优化fNIRS-BCI系统的设计和操作，例如个性化调节算法或评估用户的认知负荷。文献[240] [242]为静息态fNIRS方法提供了详细的信息。 7.4.7 光源与探测器对（Source-Detector Pairs） 光源与探测器对（Source-Detector Pairs）是功能近红外光谱（fNIRS）系统中的关键组件。光源负责发出近红外光，这些光穿过头皮和脑组织。一部分光被组织吸收，与血氧饱和度相关，另一部分被散射后由探测器接收。通过分析探测器接收到的光信号的变化，可以推断出局部脑组织的血氧浓度和脑活动。 在fNIRS-BCI系统中，光源与探测器对的配置和布局对信号的空间分辨率和质量有直接影响。合理的光源与探测器配置可以优化从特定脑区获取的数据，增强脑信号的解码能力，进而提高fNIRS-BCI系统的准确性和响应速度。fNIRS-BCI系统通常依赖多个光源与探测器对来监测多个脑区的活动，从而实现对脑状态的识别和实时控制。文献[233][235]阐述了fNIRS中光源与探测器对的工作原理，并探讨了其在 BCI 系统中的应用及重要性。 7.4.8 光吸收系数（Absorption Coefficient） 光吸收系数（Absorption Coefficient）是描述物质对特定波长光吸收能力的一个量度，通常以每单位长度的吸收量来表示（单位：cm⁻¹）。在fNIRS中，光吸收系数用于量化组织中不同组分（如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白）对近红外光的吸收程度。通过测量组织对不同波长光的吸收，可以推断出组织中血氧饱和度和血液动力学变化。 在fNIRS-BCI中，光吸收系数是关键的物理参数。它直接影响对脑组织中血氧浓度和脑活动的测量和解码精度。了解和准确测定不同脑组织的光吸收系数有助于提高fNIRS-BCI系统的信号质量，增强系统对脑信号的识别能力，进而提升fNIRS-BCI系统的性能和稳定性。文献[243][235]阐述了光吸收系数在fNIRS中的作用。 仅用于学术分享，若侵权请留言，即时删侵！ 加入社群 欢迎加入脑机接口社区交流群， 探讨脑机接口领域话题，实时跟踪脑机接口前沿。 加微信群： |
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