腦-機接口（BCI）相關術語

連載(十一)

昆明理工大學伏云發教授團隊

【導讀】為了方便腦機接口（Brain-computer interface，BCI）初學者、中級和高級研發者查閱或精準理解BCI相關術語，本章列出了BCI相關術語。第1節為前言，第2節列出了與BCI直接相關的術語，第3節列出了與BCI緊密相關的術語，后面的幾節分別列出了在BCI文獻中使用的若干術語，包括BCI用戶相關術語、實用BCI相關術語、用于BCI的腦神經電磁信號和腦組織血氧水平記錄相關術語、BCI相關腦結構與功能術語，以及BCI相關的其他術語。這種列舉方式是為了整理BCI相關術語的方便，不是絕對的，也不是標準，僅供參考，目的是為了方便查詢或理解BCI相關術語。

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1.1-2.15節請看

3.1 -3.4節請看

3.5-3.12節請看

4.1-4.5節請看

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5.1-5.10節請看

5.11-5.17節請看

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6.8-6.15節請看

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第7節 用于BCI的腦組織血氧水平記錄相關術語

7.4 功能近紅外光譜（fNIRS）

功能近紅外光譜（fNIRS）是一種非侵入性腦成像技術，通過發射近紅外光（650-1000 nm）并測量大腦皮層區域反射的光，來檢測腦組織中血液的氧合血紅蛋白（HbO）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度變化。這種技術可用來評估腦部血流動力學響應，從而推斷大腦活動情況。與fMRI相比，fNIRS具有相對較高的時間分辨率，并且由于其便攜性和舒適性，常用于認知、情感和運動任務的研究中。fNIRS能夠捕捉與大腦活動相關的血氧水平變化，這些信號可被用于識別用戶的意圖，從而實現基于fNIRS的BCI。

fNIRS 的空間分辨率較低，通常在厘米級范圍內，具體的空間分辨率取決于光電探頭之間的距離和實驗設計，理解和優化空間分辨率是 fNIRS-BCI 系統研發的重要方面。fNIRS 的時間分辨率通常在100毫秒到1秒之間，高于fMRI，能夠相對快速地捕捉腦部血氧水平的變化，而fMRI由于其BOLD信號的特性，反映的是神經活動后的血流變化，具有一定的滯后性，其時間分辨率相對較低，通常在秒級。然而，fNIRS的時間分辨率低于EEG ，時間分辨率的優化在 fNIRS-BCI 系統中對于實時解碼非常關鍵。fNIRS通常與 EEG 等技術結合使用，以增強 BCI 系統的性能。fNIRS 提供的血氧動力學信息可以與EEG 的電活動信息互補，從而提高解碼精度和系統的魯棒性。文獻[233-234]詳細介紹了fNIRS技術。

7.4.1 血氧飽和度（Oxygen Saturation, SO2）

血氧飽和度（SO2）是血液中氧合血紅蛋白（HbO?）占總血紅蛋白（包括氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白）的百分比，反映了血液攜帶氧氣的能力。可通過fNIRS檢測血氧飽和度的變化來推測大腦的局部神經活動[235]。這一信號可能用于 fNIRS-BCI 系統中識別大腦活動[236]。

7.4.2 脫氧血紅蛋白（Deoxyhemoglobin, HbR）

脫氧血紅蛋白（HbR）是沒有結合氧分子的血紅蛋白。當紅細胞中的血紅蛋白從組織中釋放出氧氣后，血紅蛋白分子變成脫氧血紅蛋白。HbR是血液中運輸二氧化碳的主要形式，并且在腦血流中的濃度變化常用于評估腦部的代謝活動和血流動力學響應。當某個腦區域被激活時，該區域的血流量增加，通常伴隨著HbO2的增加和HbR的減少。

可通過fNIRS 檢測HbR 濃度的變化，這種變化與神經活動具有相關性，是 fNIRS-BCI 中常用的特征。文獻[233][237]提供了關于脫氧血紅蛋白在fNIRS中的測量及其在BCI應用中的作用，解釋了如何通過HbR的濃度變化來解讀腦部活動。

7.4.3 氧合血紅蛋白（Oxyhemoglobin, HbO2）

氧合血紅蛋白（HbO2）是結合了氧分子的血紅蛋白，主要負責將氧氣從肺部輸送到全身的組織。HbO?是動脈血中主要存在的形式，當紅細胞釋放氧氣到組織中時，氧合血紅蛋白便轉化為脫氧血紅蛋白。

fNIRS 測量的腦組織中 HbO2 變化反映了局部腦區的氧供應和神經活動，當某個腦區被激活時，局部腦血流增加，通常表現為HbO2的濃度升高。在 fNIRS-BCI 系統中，HbO2 是識別大腦活動的重要特征，通過測量HbO2的濃度變化，fNIRS能夠實時監測腦活動。文獻[233][237]解釋了HbO2在fNIRS技術中的重要性，并說明了其在BCI系統中如何用于實時監測和解讀腦活動。

7.4.4 光程差（Differential Pathlength Difference, DPD）

光程差（DPD）是光在通過某種介質（如腦組織）時的實際路徑長度與理想路徑長度之間的差異。具體來說，它是在探測器與光源之間的光傳播路徑上，由于組織的不均勻性、光散射及吸收等因素造成的光程增加。DPD 是影響 fNIRS 數據質量的重要因素，必須進行校正才能確保數據準確性，這在 fNIRS-BCI 系統中尤為重要。文獻[238-239]提供了關于DPD在腦組織光學成像中的作用和影響。

7.4.5 任務態 fNIRS（Task-based fNIRS）

任務態 fNIRS（Task-based fNIRS）通過測量用戶在執行特定任務時大腦的血氧水平變化，來監測和分析大腦的活動。任務態fNIRS主要用于研究腦功能活動的區域性差異，如在不同的認知、運動或感知任務期間，特定大腦區域的活躍程度。任務態fNIRS在BCI研究中越來越受到重視，因為它能夠提供非侵入性、相對便攜的腦功能監測，尤其是在涉及運動、語言和執行功能等任務的應用中。

在任務態fNIRS研究中，任務的時間通常根據實驗設計的具體目標而有所不同，但常見的任務時長通常在數十秒到幾分鐘不等。任務時間需要足夠長，以捕捉到穩定的腦血流和氧合反應，同時也要考慮被試的疲勞程度和注意力保持。

任務態fNIRS在BCI系統中的應用主要體現在以下幾個方面。

1）腦血氧變化信號解碼。任務態fNIRS提供的血氧變化信號可以作為 BCI 系統的輸入信號，用于解碼用戶意圖。例如，通過識別用戶在特定任務期間的腦血氧活動模式，fNIRS-BCI系統可以推斷用戶的認知狀態或意圖。

2）fNIRS-BCI訓練。任務態fNIRS可以幫助用戶在fNIRS-BCI系統中進行訓練，特別是針對某些需要專注力或執行功能的任務，通過fNIRS信號反饋，用戶能夠更好地了解并調節自己的腦活動。

3）多模態結合。fNIRS常常與其他腦成像技術（如EEG）結合使用，以提高 BCI 系統的精度和魯棒性。這種多模態方法能夠綜合利用不同技術的優點，彌補單一技術的不足。

文獻[233][240-241]為任務態fNIRS方法提供了詳細的信息。

7.4.6 靜息態功能近紅外光譜（Resting-State fNIRS, rs-fNIRS）

靜息態功能近紅外光譜（rs-fNIRS）是測量大腦在靜息狀態下自發神經活動相關血氧變化。靜息態fNIRS記錄大腦在沒有特定任務或刺激下的血氧變化，可用于研究大腦不同區域之間的功能連接性和神經網絡的活動。

在靜息態fNIRS研究中，要求受試者保持清醒放松無任務狀態，通常持續5到20分鐘不等，以便記錄足夠的自發活動數據。

靜息態fNIRS具有評估大腦功能狀態的潛力，可用于fNIRS-BCI系統的基線數據采集和用戶狀態監測。它有助于了解不同狀態下大腦的功能連接性，幫助優化fNIRS-BCI系統的設計和操作，例如個性化調節算法或評估用戶的認知負荷。文獻[240] [242]為靜息態fNIRS方法提供了詳細的信息。

7.4.7 光源與探測器對（Source-Detector Pairs）

光源與探測器對（Source-Detector Pairs）是功能近紅外光譜（fNIRS）系統中的關鍵組件。光源負責發出近紅外光，這些光穿過頭皮和腦組織。一部分光被組織吸收，與血氧飽和度相關，另一部分被散射后由探測器接收。通過分析探測器接收到的光信號的變化，可以推斷出局部腦組織的血氧濃度和腦活動。

在fNIRS-BCI系統中，光源與探測器對的配置和布局對信號的空間分辨率和質量有直接影響。合理的光源與探測器配置可以優化從特定腦區獲取的數據，增強腦信號的解碼能力，進而提高fNIRS-BCI系統的準確性和響應速度。fNIRS-BCI系統通常依賴多個光源與探測器對來監測多個腦區的活動，從而實現對腦狀態的識別和實時控制。文獻[233][235]闡述了fNIRS中光源與探測器對的工作原理，并探討了其在 BCI 系統中的應用及重要性。

7.4.8 光吸收系數（Absorption Coefficient）

光吸收系數（Absorption Coefficient）是描述物質對特定波長光吸收能力的一個量度，通常以每單位長度的吸收量來表示（單位：cm?1）。在fNIRS中，光吸收系數用于量化組織中不同組分（如氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白）對近紅外光的吸收程度。通過測量組織對不同波長光的吸收，可以推斷出組織中血氧飽和度和血液動力學變化。

在fNIRS-BCI中，光吸收系數是關鍵的物理參數。它直接影響對腦組織中血氧濃度和腦活動的測量和解碼精度。了解和準確測定不同腦組織的光吸收系數有助于提高fNIRS-BCI系統的信號質量，增強系統對腦信號的識別能力，進而提升fNIRS-BCI系統的性能和穩定性。文獻[243][235]闡述了光吸收系數在fNIRS中的作用。

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