脑电-近红外联用电极帽

2023-03-13

fNIRS简介

 　　近年来，脑成像技术取得了长足的进步。 脑成像技术分为两大类：1）结构成像，例如计算机断层扫描（CT）；2）功能成像，例如脑电图（EEG）。 除了侵入性方法（例如皮质电图）之外，非侵入性功能成像方法主要可分为电生理学方法和代谢方法。 脑电图是最流行的电生理学方法，广泛应用于神经科学、神经康复和脑机接口 (BCI) 等许多研究领域。 脑电图以出色的时间分辨率（毫秒范围内）测量神经活动，但由于体积传导而导致空间分辨率较差，从而导致源定位的分辨率受到限制。 另一方面，近红外光谱 (NIRS) 是一种很有前途的监测大脑代谢变化的工具，由于其固有的血流动力学延迟，具有良好的空间分辨率，但时间分辨率较低。 当面对电噪声和基于运动的肌肉活动伪影时，fNIRS 比 EEG更稳健；因此，它可以成为嘈杂环境中脑电图的可行替代方案。

 　  功能近红外光谱技术( functional near-infrared spectroscopy，fNIRS) 是一种利用近红外光来检测组织血氧变化的无创、实时、可长时间连续监测的新型光学脑功能成像技术。近红外光(波长为550 nm－950 nm) 可以穿透一定厚度的生物组织，可用于检测大脑的氧合水平。fNIRS是用光极将光发射到大脑中，然后用探测器测量反射光。通过观察特定波长的光，可以测量血红蛋白的吸收，并测量某些大脑区域的血流。随着大脑区域变得更加活跃，氧合水平会发生变化。研究人员可以根据血氧和其他因素的变化实时识别大脑活动。

       fNIRS已被广泛应用于大脑的正常功能活动，如心理学、教育学、管理学、体育学等，以及疾病状态下的脑机制研究，如精神分裂症、抑郁症、癫痫、意识障碍等疾病。此外，该技术在儿童、婴幼儿的认知发育或疾病诊断领域独具优势。

 

EEG-fNIRS简介

EEG 具有精细的时间分辨率（毫秒精度），但空间分辨率受限; fNIRS具有良好的空间分辨率（<1厘米），但时间分辨率有限（约3至6秒）。基于EEG-fNIRS的多模态融合技术可整合二者的时空分辨率的优势。结合EEG和fNIRS，可以在多个时间尺度、各种空间分辨率以及通过不同的潜在生理过程监测大脑, 二者的融合可同时获得大脑神经元电活动与血氧代谢变化，更加全面、准确反映大脑的功能活动。

 

 

同步 EEG 和 fNIRS 系统越来越受到关注。 fNIRS 适合与 EEG 同时进行无伪影记录，因为其近红外光不会干扰电 EEG 测量。 在过去的十年中，越来越多的研究方法集中在同时采集的脑电图和近红外光谱的使用上。 EEG-fNIRS 联用技术已在多个研究领域证明了其优点。 例如，混合 EEG-NIRS BCI 系统比每个单模态 BCI 系统表现出更好的分类准确性[1-2]，并且 EEG-NIRS 混合系统也用于更好地理解新生儿和婴儿的语言功能[3-4]。EEG-fNIRS 相关分析有助于进一步揭示神经科学中电生理和血流动力学变化之间的复杂关系[5]。利用EEG和fNIRS联合记录以及融合分析绘制了高空间分辨率和高时间分辨率的注意的激活响应模式，揭示了注意背后有趣的神经血氧耦合机制[6]。

这两种技术均具备安全无创、价格低廉、便携可移动、信号易获取、可在自然环境中使用以及可长时程连续监测等特点。与单一模态相比，EEG-fNIRS融合技术通过融合不同类型( 神经元电活动信号、血红蛋白浓度变化信号) 的特征来提高分类精度，增加控制命令的数量，丰富和强大系统的功能。

 

EEG-fNIRS多模态融合技术面临哪些困难？

一方面，由于时间分辨率不完全匹配和血液动力学响应固有的延迟，这会在一定程度上影响特征的同步性。Morioka等提出基于fNIRS信息的脑电皮质电流解码方法，使用fNIRS特征作为先验信息来估计EEG中的皮质脑电信号，证明在空间注意任务中此方法性能优于仅基于脑电信号的解码方法，Sangtae等提出基于特征归一化的特征组合方法，通过归一化 0～1 范围内EEG和fNIRS的特征，并应用特征的总和，在检测疲劳驾驶任务中获得比单模态更好的 BCI性能，尽管还需要进一步的优化探索，但这两种方法可能是未来的解决方案，可以克服目前在融合 EEG-fNIRS特征方面的局限性。

另一方面，由于 EEG和fNIRS记录位置的不匹配可能会影响大脑神经血管耦合机制解释。针对该问题，在实验准备阶段尽可能地匹配好 EEG电极与fNIRS光极的空间位置，由fNIRS记录到的血液动力学响应位于光源发射端和探测器的中间位置，因此EEG电极应该放置在发射端和探测器中间，从而使二者的空间位置匹配。另外，fNIRS信号的信噪比可能会受到被试头发的影响，实验准备环节一定要确保光极与头皮良好的接触。

 

EEG-fNIRS联用电极帽

为了同时测量EEG和fNIRS，需要将EEG电极和fNIRS光极完美结合到一个电极帽上，因此一个重要因素是fNIRS和EEG联用电极帽。格林泰克可提供fNIRS和EEG联用电极帽解决方案。根据用户研究需要，将EEG电极和fNRIS电极完美结合到同一个电极帽上。

 

图 格林泰克提供的EEG-fNIRS联用电极帽

 

格林泰克EEG-fNIRS联用电极帽的优势：

1.稳定的帽体支撑结构，能够将fNIRS光极和EEG电极保持在固定位置，以获得无伪影数据。

 　　2.黑色帽体材料，确保环境光不会产生失真。

 　　3.EEG电极和fNIRS光圈都是轻量级的，以减少记录中的运动伪影。

 　　4.可提供多种、可自由配置的、可穿戴式、多通道EEG-fNIRS联用电极帽，电极位置根据感兴趣研究区域灵活可调。

 　　5.可提供不同的尺寸，适用对不同年龄段的人员的研究。

 

图 格林泰克EEG-fNIRS联用电极帽产品图示

 

 　　如您有EEG-fNIRS联用电极帽方面的需求，请联系格林泰克科研领域技术人员，联系人：李博士，电话15926282558。

 

参考文献 

1. Fazli, S. et al. Enhanced performance by a hybrid NIRS-EEG brain computer interface. Neuroimage59, 519–529 (2012).
2. Fazli, S. & Lee, S.-W. Brain computer interfacing: a multi-modal perspective. J. Comput. Sci. Eng.7, 132–138 (2013).
3. Wallois, F., Mahmoudzadeh, M., Patil, A. & Grebe, R. Usefulness of simultaneous EEG-NIRS recording in language studies. Brain Lang.121, 110–123 (2012).
4. Schneider, S. et al. Beyond the N400: Complementary access to early neural correlates of novel metaphor comprehension using combined electrophysiological and haemodynamic measurements. Cortex53, 45–59 (2014).
5. Nasi, T. et al. Correlation of visual-evoked hemodynamic responses and potentials in human brain. Exp. Brain Res.202, 561–570 (2010).
6. Zhao C, Guo J, Li D, Tao Y, Ding Y, Liu H, Song Y.2019. Anticipatory alpha oscillation predicts attentional selection and hemodynamic response. Human Brain Mapping. 40:3606–3619.
7. Huang J, Wang F,Ding Y, Niu H, Tian F, Liu H, Song Y. 2015. Predicting N2pc from anticipatoryHbO activity during sustained visuospatial attention: a concurrent fNIRS-ERP study. NeuroImage. 113:225–234.