IEEE trans:使用基于fNIRS的BCI系统加强晚期ALS患者的沟通联系

肌萎缩侧索硬化（ALS）也叫运动神经元病（MND），后一名称英国常用，法国又叫夏科（Charcot）病，而美国也称卢伽雷（Lou Gehrig）病。它是上运动神经元和下运动神经元损伤之后，导致包括球部（所谓球部，就是指的是延髓支配的这部分肌肉）、四肢、躯干、胸部腹部的肌肉逐渐无力和萎缩。随着瘫痪的ALS患者逐渐失去所有自主运动控制，辅助交流工具可以通过提供一定程度改善他们的生活质量并促进他们的护理。脑机接口（BCIs）在为这些患者建立通信工具方面已经显示出有希望的结果。虽然ALS早期阶段的患者可以通过眼动追踪装置达到成功沟通目的，但BCI是更先进ALS中的候选替代沟通工具，因为它们依赖于独立于肌肉运动的神经控制。然而，特别是在ALS晚期，患者失去所有类型的残余运动控制，包括眼睛注视和重要的自主运动，如呼吸和延髓功能，导致完全不动状态。

基于脑电图（EEG）的BCI是研究最多的非侵入性BCI系统，用于为ALS患者建立通信，因为它们可以方便地在患者的床边使用。功能性近红外光谱（fNIRS）已经显示出作为非侵入性BCI应用的新型控制信号的潜力。BCI中使用的大多数fNIRS信号反映了大脑氧合改变，以响应通过运动想象任务激活运动皮层。因为fNIRS系统与基于EEG的BCI相比具有几个优势。首先，fNIRS通过穿透颅骨整合来自皮质表面的信息，其提供比EEG更高的空间分辨率。其次，fNIRS补偿了EEG的低信噪比（SNR），可能是由于其对伪影的敏感性较低。第三，它测量血液动力学血管反应作为另一个重要参数，而不是脑电图的电反应。在本研究中通过新的拼写平台检查fNIRS BCI系统的可行性。

左：fNIRS蒙太奇。右图：提出的视觉-心理（VM）范式

本研究招募了6名ALS患者（年龄57.0±15.7岁），在这项研究中，开发了一种新的视觉-心理（VM）范式。其引起前/前额区域的血液动力学变化。这项研究包含两部分；在研究的第一部分（第一部分），所有受试者首先参加熟悉课程，接受实验方案的培训，然后参加主要的实验课程。在床边的支架的帮助下，受试者通过23英寸的LCD监视器将接受视觉刺激。在研究的第二部分（第二部分）中，纵向记录了晚期LIS（ALS-1）受试者连续几个月（总共五个疗程，超过五个月）功能性近红外光谱数据。fNIRS数据在0.01-0.2 Hz下进行带通滤波，以减轻呼吸和心脏活动引起的生理噪音。使用三个指标评估性能：准确度（Acc）、敏感性（Sen），即真阳性率（TPR）和特异性（Spe），即真阴性率（TNR）。在fNIRS-VM分类中，使用不同数量的最优特征来评估性能，首先使用两个最相关的特征作为初始特征集。然后，特征数逐步增加，以包含所有最优特征。

通过刺激后[0-6]秒内HbO2浓度的SPM分析生成的每位患者的统计地形图

在晚期LIS患者ALS-1中，观察到两种主要的血流动力学模式。一种模式是上升的，在刺激后的3.55±1.66秒达到最大峰值；另一种模式是在刺激后下降，接近最小6.07±2.55秒。在ALS-2中，初始下降通常不存在或非常短，而在刺激后平均6.38±1.71秒出现单峰。左前/额叶通道，即AF3-Fp1（ch1）、AF3-AFz（ch2）、AF3-F1（ch3）、F3-F1（ch4）和AF4-Fp2（ch11）说明了ALS-2的这种模式。在ALS-3中，观察到的血流动力学反应通常比其他患者弱，通道之间没有一致的模式。ALS-4在大多数通道中也表现出明显的靶向反应。然而，尽管一些额叶通道（如AF3-F1（ch3）、F3-F1（ch4）、Fz-F1（ch9）、Fz-F2（ch10）、AF4-F2（ch13）和F4-F2（ch14））显示出正的诱发偏转，平均峰值出现在刺激后5.05±0.27秒，但其他通道大多呈现下降模式。在ALS-5中，除Fpz-Fp1（ch5）外，所有通道均以初始下降开始，平均值在刺激后1.28±0.52秒接近最小值，随后在刺激后6.83±0.80秒达到峰值。ALS-6与ALS-2在各通道中的模式相似，其初始下倾较短，在刺激后1.40±1.08秒接近最小值，平均峰值在5.32±0.71秒上升。在所有受试者中，与fNIRS VM方案中的所有其他时间窗相比，（0-4）秒窗的准确性（81.3%±5.7%）、敏感性（72.9%±13.3%）和特异性（82.9%±7.0%）最高。前4秒时间窗的平均准确率比P3S方案高7.0%，平均准确率、敏感性和特异性分别为74.0%±8.9%、58.0%±14.0%和78.0%±7.6%。

研究结果表明，在ALS患者中，特别是那些处于疾病后期的患者中，开发通过fNIRS数据进行通信和控制的BCI系统是可行的。总的来说，这项研究的结果为开发基于fNIRS的晚期ALS BCI方案提供了一个新的方向。提出的实验范式可以进一步扩展到一个实时拼写系统，为失去眼睛注视控制的LIS患者带来优势。

S. B. Borgheai et al., "Enhancing Communication for People in Late-Stage ALS Using an fNIRS-Based BCI System," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,