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【案例分享】西安电子科技大学EEG-fNIRS多模态同步分析整合方案

随着神经生理及行为表现信号采集设备的发展与推广,基于神经生理多模态联合分析受到越来越多研究者的关注。然而,由于记录设备的增多,多个记录设备如何实现精准同步成为亟待解决的关键问题。

相比单一模态,多模态融合技术可以实现从神经电生理、血氧活动及能量代谢等多个角度对脑活动的实时监测,充分发挥不同模态信息的互补优势,为研究大脑的功能活动提供强大的推动力。

其中EEG技术具有很高的时间分辨率,但空间分辨率受限;fNIRS的空间分辨率较高,但实时性较差。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,并且,这两种技术具备安全无创、价格低廉、便携可移动性、可在自然环境中使用以及可长时间连续监测等特点。

二者的融合可同时获得大脑神经元活动与血氧代谢变化,对全面、准确反映大脑的功能活动有着积极作用,因此,EEG-fNIRS 的多模态融合研究也成为脑科学领域的一项具有重大意义的研究课题。

然而,目前基于 EEG-fNIRS 的多模态融合技术 尚不够完善,仍存在许多需要解决的问题。重难点主要集中在实验系统的搭建上,记录手段多,则必然伴随着记录设备多,多个记录设备搭建到一起需要解决许多问题,其中最为核心的是如何让这些设备的数据对齐,也就是说如何让这些设备保持同步

西安电子科技大学生命科学技术学院以学校雄厚的电子信息学科为基础,聚焦生物医学与电子信息深度融合的多学科交叉领域,在分子影像、神经影像、生物医学大数据等方向开展深入研究。近五年,学院承担包括国家“973”计划、“863”计划、国家重大仪器专项、国家重点研发计划在内的国家、省部级科研项目百余项。

图片源自网络

学院教授谢晖老师近年来主要从事行为认知脑功能成像研究、基于拉曼光谱的生物应用研究。先后主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划项目等国家级省部级科研及教学项目7项。近期主持的研究项目包括:国家自然科学基金:基于大脑信号、学习能力及学习行为的多模态虚拟仿真课程智能评价研究(62007026)陕西省项目-陕西省重点研发项目:基于“脑电+行为+能力”的虚拟仿真在线学习智能评价研究(2022GY313)等。

谢晖老师所领导的课题组目前的研究方向为复杂场景脑功能认知响应机制,多模态生物信息数据融合及算法开发以及行为认知脑功能成像。于近日展开了一项关于“大脑情绪和决策反应“的研究课题,研究中需要将脑电设备(NE)和近红外功能成像设备(Artinis)同步使用,即将近红外传感器分布于目标脑区,硬件上需考虑光极间隔以及不影响脑电电极采集,软件上则需要两者兼容同步。

研究设备由赢富仪器提供,为帮助研究人员更快熟悉试验设备的功能和操作流程,赢富仪器科技(上海)有限公司派遣技术专家进行了操作培训,为了满足二者联用的技术需求,赢富技术人员对脑电帽进行自定义打孔设计,以放置近红外传感器,进行数据同步采集。

脑电帽

受试者佩戴好脑电帽,使用记号铅笔做预打孔的位置标记

脑电图

EEG-fNIRS同步系统硬件同步

除了硬件的集成外,赢富技术人员还对设备进行联调,最终完成了EEG和fNIRS信号同步采集系统设计

脑电采集设备

EEG-fNIRS同步采集测试

数据同步采集

Neuroelectrics(NE)公司于2011年在巴塞罗那成立,致力于便携式脑电系统的研发,可提供干电极(无需导电膏,准备时间缩为5分钟)、湿电极(导电膏电极)、特殊电极即前额电极(仅用于前额测试)以及固体凝胶电极(它是市场上少有的固体凝胶电极)。除了提供一系列脑电图研究设备外,它们还提供了多通道经颅电流刺激工具,以及促进MRI研究的软件和工具。

本次所使用的Enobio无线干电极脑电设备主机中内置三轴加速度传感器,在记录EEG的同时同步记录加速度数据,24bit无线传输,精确还原原始EEG信号。可应用于大脑认知、脑机接口、用户体验、临床医疗等多种研究

Artinis Medical Systems是一家荷兰的创新型高科技公司,主要从事近红外光谱(NIRS)成像设备的研发、销售和服务。Artinis从产品的应用出发,研发和设计满足用户使用需求的产品和解决方案,使“近红外成像技术变得更加简单”,多年来与来自全球不同学校和研究机构的科学家合作,确保产品良好的科研背景。

儿童近红外

本次所使用的OctaMon便携式近红外成像设备专为前额叶研究而开发,使用修正的比尔朗伯定律的连续波近红外光谱,能够监测含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白以及总血红蛋白,可应用于运动科学、脑机接口、功能性研究以及多人同步超扫描等多种研究

便携式近红外脑成像系统OctaMon

技术的不断发展创新和整合,使一些过去很难实现的研究想法和目标,如今借助先进的试验设备可以轻松达成,且获取实验数据更加高效、精准、便捷。赢富技术团队提供尽可能的技术支持和方案整合,为研究项目的进展节省了大量时间。

赢富仪器目前代理了多个脑科学领域的全球知名品牌,除了上面提到的Artinis和NE外,还包括便携式运动脑电TMSi高密度脑电BEL,我们致力于引进世界各国先进的检测技术与设备,并结合中国用户的实际使用场景与需求,提供科学、完善、经济、可靠的技术方案与配套产品。同时我们也拥有相关领域的软件著作权,并积极开展相关领域的自主研发工作,始终以促进领域发展为己任,不断推动世界先进测试技术的普及与发展。

如需获取相关解决方案,欢迎致电4006-111-556详询!