移动神经工效学和BCI应用中的功能近红外光谱

走向无线开源仪器：移动神经工效学和BCI应用中的功能近红外光谱

Alexander von Lühmann1,2*、Christian Herff3、Dominic Heger3和Tanja Schultz3

1德国柏林理工大学计算机科学机械学习部

2德国卡尔斯鲁厄卡尔斯鲁厄理工学院生物医学工程学院

3德国卡尔斯鲁厄卡尔斯鲁厄理工学院认知系统实验室

脑机接口（BCI）和神经工效学研究对鲁棒性和移动性有很高的要求。此外，需要快速适用性和定制。功能近红外光谱（fNIRS）是一种日益成熟的技术，有潜力满足这些条件。EEG采集技术是目前用于移动大脑活动评估的主要模式之一，广泛传播并开放访问，因此易于定制。另一方面，fNIRS技术要么作为预定义的商业解决方案购买，要么使用已发表的文献从头开发。为了帮助减少未来用于研究目的的定制设计的时间和工作量，我们提出了一种用于基于移动NIRS的神经成像、神经工效学和BCI/BMI应用的开源多通道独立fNIRS仪器的方法。该仪器是低成本、小型化、无线和模块化的，并公开记录上。它提供了可扩展的信道数量、可配置的调节光强度、可编程增益和锁定放大等功能。本文介绍了轻量级独立仪器的系统概念、硬件、软件和机械实现，并描述了仪器硬件和生理fNIRS功能的评估和验证结果。定性信号评估和12名受试者的定量心算BCI研究证明了其测量大脑活动的能力。

 

1.引言

功能近红外光谱（fNIRS）是Jöbsis（1977）开创的一项日益成熟的技术，它允许使用近红外光进行无创、相对低成本、紧凑且无危害的大脑氧合水平连续测量。

 

虽然第一代仪器相当笨重和昂贵，使用了带有光电倍增管（PMT）的激光二极管（Cope和Delpy，1988；Cope，1991；Rolfe，2000；Schmidt等人，2000）和后来的雪崩光电二极管（APD）（Boas等人，2001；Coyle等人，2004年，2007年），如今的设备通常利用发光二极管（LED）和光电二极管（PD）（Vaithianathan等人，2004年；Bunce等人，2006年；Chenier和Sawan，2007年；Ayaz等人，2013年；Safaie等人，2013；Piper等人，2014年），这允许安全、更紧凑和移动应用。在用于监测局部氧合水平（例如新生儿）的实验室和床边监测设备的初步开发之后（Cope和Delpy，1988；Cope，1991），2000年代，许多研究小组专注于根据地形信息[功能性近红外成像（fNIRI）]设计用于大脑活动测绘的成像仪器（Schmidt等人，2000年；Boas等人，2001年；Vaithianathan等人，2004年）。最近，fNIRS和fNIRI已进入神经科学领域，成为一种可靠和值得信赖的研究工具，用于基于研究对象群体的研究（Scholkmann等人，2014），为fMRI、PET和EEG提供了潜在的补充信息（例如，氧合信息或细胞色素氧化酶作为代谢需求的标志；Strangman等人，2002）。但在邻近领域，如脑机接口（BCI）和神经工效学（定义为研究人脑与工作表现的关系）（Parasuraman，20032011），fNIRS技术也开辟了新的可能性（例如，Matthews等人，2008年，脑机接口血流动力学介绍）。它越来越多地用于脑机接口控制（Naseer和Hong，2013年；Schudlo和Chau，2015年）和康复（Kanoh等人，2009年；Yanagisawa等人，2010年）的单一试验fNIRS应用，并已成功用于认知工作量评估（Son和Yazici，2006年；Ayaz等人，2012年），工作记忆训练和专业技能开发期间的脑动力学监测（Ayaz等人，2013年）、基于混合NIRS-EEG的信号处理任务（Safaie等人，2013；Putze等人，2014年）以及最近还与经颅直流电刺激相结合（tDCS；McKendrick等人，2015年）。此外，发现fNIRS是基于脑电图的脑机接口的一种有前途的多模态扩展（Pfurtscheller等人，2010年；Biessmann等人，2011年；Fazli等人，2012年）。fNIRS的主要限制是血流动力学过程相对缓慢。然而，特别是在被动BCI领域（Zander和Kohe，2011），反应时间不一定必须非常快。在移动脑成像领域（例如，Piper等人，2014）和神经工效学（Fairclough，2009）中使用fNIRS的方法越来越多，表明了对无线、小型化和可定制fNIRS技术的需求。到目前为止，研究人员要么依靠昂贵且主要是静态的商业设备，要么从头开始设计自己的fNIRS设备。为了克服商用台式仪器的限制，Ayaz等人（2013年）、Safaie等人（2013）、Lareau等人（2011年）和Atsumori等人（2007年）等团体完成了后者的工作，他们将带有Si-PD/APD的LED用于新一代仪器，这些仪器通常能够移动使用。然而，据我们所知，只有极少数新一代设备（Safaie等人，2013）真正小型化、独立、不显眼且可移动，并且可以在不带背包的情况下携带在身上，同时还能实现自由移动和数据传输/处理，如DAQ设备等外部静态仪器，需要锁定放大器和电源。此外，在许多情况下，为了小型化或复杂性，信号提取技术（如锁定放大）似乎被牺牲了。过去几年提出的探针和附件设计，例如柔性PCB的使用（Vaithianathan等人，2004；Bozkurt等人，2005；Bunce等人，2006；Son和Yazici，2006；Rajkumar等人，2012），脑电图帽状光电二极管（Kiguchi等人，2012年；Piper等人，2014年）和机械安装结构（Coyle等人，2007年）通常限于静态应用和/或在柔性PCB的情况下，由于头发阻碍，固定在前额上。在移动应用领域，一个经常被报道的问题，到目前为止似乎还没有得到令人满意的解决，即光电二极管与头部的连接，既能实现稳定的光学接触，又能提供充足的光照水平和舒适的佩戴。

 

虽然在商业设备中也可以越来越多地观察到新系统设计的便携性和移动性趋势，但研究人员始终需要创新方法的定制解决方案。为了帮助减少这些情况下的时间和工作量，我们介绍了一个可配置、小型化、模块化、全移动（无线）多信道fNIRS系统的设计和首次评估，该系统是在www.opennirs.org上根据CC BY-NC 4.0许可证开源提供的，并附有详细文档。它是一种可定制的低成本研究工具，既可以独立使用，也可以与定制或外部DAQ设备结合使用。此外，该装置利用了一种新的详细的弹簧加载光电二极管固定概念来解决上述光电二极管连接问题。

 

2.材料和方法

2.1仪器要求

我们确定了在移动BCI和神经工效学背景下，fNIRS设备需要实现的关键方面。除了硬件成本相对较低的标准外，这些标准可分为四组：

 

•可用性：设备的小型化和移动性，光电二极管附件的不显眼性和鲁棒性。

 

•信号质量：低通道间串扰、光源和整个系统信号的低漂移、高信号灵敏度/放大器精度、对背景光的鲁棒性和高动态范围。

 

•安全性：低热发展、无害光强度和电力线的电流隔离。

 

•配置/定制：信道数量的可扩展性、模块化、光强度和接收器增益的配置、与定制硬件/软件的接口。

 

以下小节将详细介绍我们在概念、硬件和软件层面上满足这些要求的方法。

 

2.2仪表设计

2.2.1系统概念

模块化开放式仪器的系统概念如图1所示。它由一个或多个独立的4信道连续波NIRS模块和主板组成。每个模块由主板通过简单的并行4位控制接口控制。主板提供电源轨、NIRS信号的AD转换和UART通信接口，当提供控制接口和对称±5V电源轨时，可由任何自定义数据采集（DAQ-）设备替代。这使得能够在物理信道数量、功耗、转换率和深度方面对仪器进行全面定制，同时在空间上分布硬件组件（和重量），并执行本地硬件信号放大和处理，从而最小化噪声和干扰。

 

fNIRS模块的设计考虑了Scholkmann等人（2014）和其他人（Obrig和Vilringer，2003；Son和Yazici，2006）对fNIRS仪器技术的当前理解，特别考虑了硬件设计和SNR最大化/串扰最小化的波长选择，并考虑每个模块使用750和850 nm多波长Epitex L750/850-04A LED提供四个双波长fNIRS通道。虽然LED的发射光谱（Δλ=30/35nm）比尖锐峰值激光二极管（通常Δλ≈1nm）更宽，但由于加热较少，其非相干和未准直的光允许更高的组织询问强度和与头皮的直接接触，对人眼来说更安全。

 

LED电流由基于高精度放大器（模拟器件AD824A）和场效应晶体管（FMB2222A）的可调电流调节器电路调节。用于锁定放大的信道激活和电流调制由模拟开关（模拟器件ADG711）执行，通过1:8模拟多路复用器（NXP HEF4051）访问。组织询问后，NIR光由中央Si光电检测器检测，该光电检测器带有集成的跨阻抗放大器，用于输出噪声最小化（德州仪器OPT101，1MΩ反馈电阻器，带宽14kHz），然后进行放大和锁定解调（使用Analog Devices AD630）。8位Atmel Corp.AtMega16A微控制器的PWM模块使用外部20 MHz晶体创建3.125 kHz方波基准，用于锁定（去）调制，以实现抖动最小化。它还处理来自4位控制接口的输入控制信号，并操作和配置车载硬件。为了调节LED电流，实现了8位数模转换器（DAC；Maxim MAX5480）。它在电流调节器输入端提供电压电平，该电压电平是电流调节电平的命令变量。实现可编程增益放大器（Texas Instruments PGA281），用于以G＝0.688至88的可变增益对检测到的NIR信号进行预锁定放大。

 

在锁定解调期间，信号由三阶巴特沃斯低通滤波，然后再次放大（G=5.1），并在离开fNIRS模块进行外部AD转换之前，由一组两个高精度放大器（德州仪器LMC6062）稳定。

 

该系统设计用于fNIRS信道的时分复用（TDM）。这是在最小化信道间串扰、加热（Bozkurt和Onaral，2004）和电池消耗与牺牲SNR之间的权衡，SNR受到应用时间窗口宽度的限制。对于锁定输出支路的解复用，在主板上或使用定制DAQ设备对稳态光电检测器信号进行采样之前，在单通道激活的每次开始之后插入可变（采样率相关）停留时间。

 

可配置的PGA增益（G=0.6875–88）和LED强度（256 DAC电平）与反馈“信号监视器”线路相结合，允许在锁定解调过程中进行信号相关自适应，以实现最大放大，而不会达到其中一个组件的动态范围限值。

 

模块化：fNIRS模块的上述设计允许在许多配置中操作，只需要与上述由4位控制、电源和模拟输出组成的接口兼容。对于总信道计数的扩展，可以使用几个模块。设置和模块计数的变化仅影响用户选择的控制单元及其例程，其激活时分复用信道并转换来自模块的模拟fNIRS信号：

 

•由于本工作的目标是为移动应用设计小型化的fNIRS模块，因此开发了基于微控制器（Atmel AtMega644）的主板，用于移动数据采集和模块控制。主板使用4通道16位模数转换器（ADC；线性技术LTC2486）和蓝牙无线控制器（琥珀色无线AMB2300），从多达4个模块（16通道）获取fNIRS信号，通过串行协议将数据传输到计算机，并处理传入的用户控制。为了缩放通道数量，用户连接所需数量的模块，并在主板的微控制器上配置通道管理员例程（另见第2.2.3节）。使用稳定的线性功率调节器电路（基于on Semiconductor MC7805和MC7905 IC）从电池直流电压创建对称的±5V电源轨。使用电池和仅使用低电压也可确保用户安全。

 

•主板是任何（自定义）外围采集和控制硬件的占位符。通过提供数字I/O和外部电源的DAQ设备，可以使用任意数量的模块（受限于期望的停留时间和采样率），并由用户编写和定制的控制和采集例程进行控制。

 

2.2.2.硬件设计方面的选择

发射器分支：为了实现fNIRS仪器的高精度，仔细设计NIR发光电路至关重要，因为辐射强度的波动不能与