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fNIRS技術中用于反映信號質量的方式

來源：天津百勝客科技有限公司 2023年08月04日 16:37

fNIRS技術中用于反映信號質量的方式

--頭皮耦合指數(Scalp Coupling Index)

1.引言

功能性近紅外光譜技術(fNIRS)是一種通過測量與大腦活動相關的皮層血流動力學變化，從而來間接反映神經元活動的光學成像技術(Scholkmann et al., 2014)。與其他測量大腦活動的技術相比，fNIRS的優勢在于安全，靈活便攜，抗運動干擾強，且性價比高。因此，此種成像技術也被認為是一種具有極大應用前景的新興成像技術。

然而，fNIRS在人類受試者研究中的使用目前還受到幾個未解決的問題的限制。首先，就是從整個通道中收集足以對皮層血流動力學進行可靠的估計的

具有較高信噪比(SNR)的光信號。其次，在正式采集信號前，安裝大量的光極可能需要花費大量的時間。最后，由于過于濃密和顏色過深的頭發而導致的光極與頭皮無法形成良好的耦合，如圖1中的黃色和紅色光極。

圖1

雖然，以上問題在一定程度上可以通過研究者在長期的科研實踐過程中所積累的經驗來克服。但是，仍然需要在正式采集數據之前建立一種定量的方法來驗證足夠的SNR，以有效的管理通道信號的損失。因此，有研究者提出了一種方法來計算給定的fNIRS通道的信噪比(SNR)的客觀測量值并顯示人頭模型上單個光極的耦合狀態。此種方法旨在直觀地顯示出哪些光極需要調整以獲得更好的頭皮耦合，并提高光極通道的信噪比(Luca et al., 2016)。

2.方法

2.1 fNIRS通道的信噪比

fNIRS光學通道的信噪比與形成通道的兩個光極(發射極，接受極)中任何一個光極與頭皮的耦合情況密切相關。通常可以利用頭皮耦合指數(Scalp Coupling Index, SCI )來反映fNIRS中的SNR(Pollonini et al., 2014)。SCI會受到所使用的近紅外光的波長和由頭部或下頜運動所引起的偽跡的影響。因此在計算某個時間點的SCI時，通常先要對原始信號進行帶通濾波，將 0.5 Hz 至 2.5 Hz 之間的原始光檢測信號(對應于每分鐘 30 至 150 次心搏 (bpm) 的心臟搏動)與皮質成分(即靜息或事件相關腦血流動力學)和其他全身成分(即呼吸、Mayer 波)進行分離。

圖2

然后將濾波后的信號歸一化為其標準偏差(獲得??1和??2)以拒絕波長λ1和 λ2處光源的光功率之間的差異以及兩個波長下氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白 (HbR)的消光系數值之間的差異。最后，將SCI計算為歸一化信號之間的零滯后跨相關，即SCI=??1???2。

2.2 基于圖形的光學拓撲布局

具有高信噪比的fNIRS通道由兩個與頭皮接觸良好的光極所組成。相反，如果兩個光極中的任何一個或兩個與頭皮分離，則會形成具有低信噪比的通道，并且使得研究者無法確定需要調整哪個光極才能恢復較高的信噪比。

單個光通道的信噪比與其兩個貢獻光的頭皮耦合之間的關系可以用布爾方程(Boolean Equation)在數學上建模O1∧O2 = W1,2,在這里O1,O2表示兩個光極的布爾耦合狀態(即，0 = 未耦合，1 = 耦合)，W1,2是布爾值，表示通道的SNR是否高于某個設定的閾值(即W1,2=1如果 SCI > 0.8，否則W1,2= 0)。如果測得的信噪比足夠高(w1,2= 1)，方程由對 (O1,O2) = (1，1) 表示兩個光頭都與頭皮良好接觸,相比之下，W1,2= 0 產生三種可能的解 (0，0)、(0，1) 和 (1，0)。

這種單通道布爾模型可以擴展到fNIRS的光極布局中。例如，設置一個方程組P：Oi∧Oj=Wi,j,i和j表示配成一對的發射極與探測極，P表示由i,j所形成一個光極通道，通過求解未知的N元方程組(O1…Oi,Oj…On)就可以得到所有光極與頭皮的耦合狀態。此種算法的目標是迭代一個過程，即從佩戴fNIRS光極期間收集的光信號中測量Wi,j，隨后實時求解布爾系統(O1…Oi,Oj…，ON)，以便不斷的向研究者反映那些具有較差頭皮耦合狀態(Oi = 0)并需要調整的光極是哪些。

為了制定布爾系統并實現其數值解決方案，我們建議使用連接圖對任何特定fNIRS頭飾的光學布局進行建模，其中N個節點代表光極(無論它們是光源還是探測器)，使用矩陣表示法，拓撲圖形由表示邊的二進制鄰接矩陣 E(大小 N x N)來描述存在于兩個節點 i 和 j 之間ei,j，而 fNIRS 通道的SNR 由二進制權重矩陣 W(大小 N x N)來描述，其中如果 SNR 可接受則Wi,j= 1，否則Wi，j= 0，圖3為一個圖形建模的示例，圖4詳細地展示了算法的流程

圖3

圖4

3.結果

為了驗證上述測量SNR方法的有效性，研究者展示了在濾波前、歸一化后和跨相關后，在被試頭部測量的無噪聲和有噪聲光信號，如圖5：

(a)和(b)為無/有噪聲的光極通道原始信號

(c)和(d)為被歸一化后無/有噪聲的光學通道信號

(e)和(f)為無/有噪聲光學通道的交叉相關信號

圖5

值得注意的是：SCI在無噪聲光學通道中的值接近于1，而在有噪聲光學通道中的SCI約為0.23

當檢驗了與實驗相關的所有光通道的SNR后，就可以通過應用方法部分中描述的基于圖形的迭代算法來確定每個光極的頭皮耦合。為了證明其有效性，研究者使用了一個具有 4 個光源和 3 個探測器編號從1到7的圖形作為示例，當相應的布爾方程組收斂到的解時作為調整一個光極的根據。最初假設只有一個通道具有足夠的SNR(W1,2= 1，圖6 左上角)，得到的方程組由多個 7 元組(1，1，0，0，0，any，any，any)求解，其中O1,O2,O3,O4,O5具有單一的耦合狀態(1 表示耦合(綠色節點)，0 表示非耦合(紅色節點))和O6和O7表示未確定(黃色節點)(圖6，左下角)。更新的 SNR 配置(W2,4= 1) 產生一個布爾系統，該系統由 7 元組 (1，1，0，1，0，0，0) 求解，其中光極O6和O7的耦合不再不確定(O6=,O7= 0，圖4，中間和右下角)。最后，研究者可以繼續調整剩余的未耦合光極O3,O5,O6,O7。因此，放置策略是從調整那些與未確定的光極產生未耦合狀態的光極開始的。

圖6

4.結語

總之，在實驗正式開始采集數據之前驗證光源檢測器與頭皮的耦合程度是否良好是非常重要的，因為這在很大程度上影響甚至決定了實驗的信號質量或說數據質量。因此，如果能借助某一種軟件來顯示每個光極的頭皮耦合狀態，則可以幫助實驗人員直觀的看到哪些光極在實驗前需要進行手動調整以獲得的放置位置，從而為收集到高質量的信號做好實驗前的準備。

圖4

5.軟件下載

本文中描述的方法可已在稱為Placing Headgear Optodes Efficiently Before Experimentation(PHOEBE)的圖形用戶界面(GUI)軟件中實現，該軟件在通過fNIRS儀器收集的光學測量值時實時顯示所有光極的頭皮耦合狀態。

下載地址：GitHub - lpollonini/phoebe: PHOEBE (Placing Headgear Optodes Efficiently Before Experiment) is a MATLAB GUI application that measures and displays the optical coupling between fNIRS optodes and the scalp of a subject in real time.

參考文獻

Scholkmann, F., Kleiser, S., Metz, A. J., Zimmermann, R., Mata Pavia, J., Wolf, U., & Wolf, M. (2014). A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. NeuroImage, 85 Pt 1, 6–27 doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.05.004

Luca Pollonini, Heather Bortfeld, and John S. Oghalai, "PHOEBE: a method for real time mapping of optodes-scalp coupling in functional near-infrared spectroscopy," Biomed. Opt. Express 7, 5104-5119 (2016) //doi.org/10.1364/BOE.7.005104

Pollonini, L., Olds, C., Abaya, H., Bortfeld, H., Beauchamp, M. S., & Oghalai, J. S. (2014). Auditory cortex activation to natural speech and simulated cochlear implant speech measured with functional near-infrared spectroscopy. Hearing research, 309, 84–93. doi.org/10.1016/j.heares.2013.11.007

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