美国 NIRx 近红外脑功能成像系统 NIRScout

NIRScout 是 NIRx Medical Technologies, LLC 的实验室用近红外脑功能成像系统,目前仍在售;主机为模块化机架结构,内插 USB 控制卡、LED 驱动卡与四通道检测卡,经 USB 2.0 由计算机控制。 采用双波长连续波近红外测量:时分复用的 760/850 nm LED 光极贴于头皮,光纤束将回光导入硅光电二极管或雪崩光电二极管,得到氧合与脱氧血红蛋白变化。 最多 64 个光源、32 个探测器(串联可达 128/64),2048 个数据通道,采样 62.5/100 Hz,动态范围大于 90 dBopt。 应用于认知神经科学、脑机接口与神经反馈、超扫描、婴幼儿研究,以及与 EEG、fMRI、TMS 的联合测量。 标配:NIRStar 软件、NIRScaps 头帽、携带箱、应力消除件、触发线缆、仪器 PC;选配:推车、触发分配器、fMRI/TMS 模块、各类探头。 NIRx 声明该设备不是医疗器械,未获 FDA 批准,仅供研究使用。

美国 NIRx 近红外脑功能成像系统 NIRScout

仪器信息

品牌NIRx
型号NIRScout
分类近红外脑功能成像系统
仪器编码united-states-nirx-fnirs-imaging-system-nirscout
在售状态在售
地区来源美国
更新时间2026-10-10
研究领域认知神经科学、功能近红外光谱脑成像、脑机接口、生物医学工程

技术参数

共 133 条规格记录

系统型号变体NIRScout(NSC)、NIRScoutX(NSX)、NIRScoutXP(NSXP)
整机订货号NIRScout
配件订货号FOB-XX(光纤束)、NLP-8-XX(LED POD)、L2F-8-XX(LED 转光纤耦合器)
配件订货号P2B-8-XX(并口转 BNC 适配盒)、P2SUB-15-XX(并口转 15 针)、P2SUB-9-XX(并口转 9 针)、P2IDC-10-XX(并口转 10 针)
配件订货号NMA-XX(机械臂)、NBP-XX(底板)
测量对象组织血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的相对浓度变化
测量部位人体头部,经颅无创测量脑血流灌注动态
光谱测量技术双波长连续波(CW)近红外弥散断层测量
光谱测量技术连续波(Continuous Wave)、单相(Single Phase)
光源照明方式时分复用扫描式照明
波长区分方式两个波长同时发射,并以低 kHz 范围内的不同频率调制与解调加以区分
探测通道解调方式并行数字解调(Parallel Digital Demodulation)
动态增益切换范围10^9
组织透射测量距离范围小于 1 cm 至约 4 cm
功能空间分辨率5–30 mm(取决于光极间距)
功能空间分辨率5 mm(光源-探测器间距 7.5 mm;早期版本规格;宣传册 Rev. Feb 2015)
三维深度分辨能力支持
多距离探头阵列支持支持
最大数据通道数2048(单机配置)
最大数据通道数4096(串联(tandem)配置)
光源数量8–16(NIRScout(NSC);LED 光源)
最大光源数量64(系统最大配置,单机)
最大光源数量128(串联(tandem)配置)
探测器数量4–24(NIRScout(NSC))
最大探测器数量32(系统最大配置,单机)
最大探测器数量64(串联(tandem)配置)
光源器件类型LED 与激光光源混合可选(NIRScout Extended Plus(NSXP))
光源器件类型激光二极管(Laser diode)(激光光源)
光源波长760 nm、850 nm(LED 光源)
光源波长785 nm、808 nm、830 nm、850 nm(激光光源(NIRScoutXP))
光源波长685 nm、780 nm、808 nm、830 nm(激光光源;早期版本规格;宣传册 Rev. Nov. 2016)
光源输出功率25 mW(每波长,最大)(LED 光源)
光源输出功率20 mW(每波长)(激光光源)
探测器器件类型硅光电二极管(SiPD)或雪崩光电二极管(APD)
探测灵敏度< 1 pW NEP(SiPD 探测器)
探测灵敏度200 fW NEP(APD 探测器)
动态范围>90 dBopt(SiPD 探测器)
动态范围>70 dBopt(APD 探测器)
采样率2.5–100 Hz
采样率2.5–62.5 Hz(NIRScoutX 与 NIRScoutX+ 可达 100 Hz)(早期版本规格;宣传册 Rev. Nov. 2016)
光源复用率62.5 Hz/光源数(标配);100 Hz/光源数(选配)
光极扫描速率约 60 Hz
模数转换分辨率16 bit
短距离通道源-探间距8 mm(选配短通道光极)
主机通信接口USB 2.0
触发输入通道数4(NIRScout(NSC))
触发输入通道数8(NIRScoutX(NSX))
触发输出通道数1(帧标记)(NIRScout(NSC))
触发输出通道数8(可编程数字输出)(NIRScoutX(NSX))
触发输入信号电平TTL(NIRScout(NSC))
触发输入连接器形式IDC 屏蔽针座,双排,2.54 mm 间距(NIRScout(NSC))
触发输入连接器形式Sub-D 15 针公头(NIRScoutX(NSX))
触发输出连接器形式SMB、50 Ω、Jack(公头)(NIRScout(NSC))
触发输出连接器形式Sub-D 9 针母头(NIRScoutX(NSX))
触发输入最小脉冲宽度10 ms(NIRScout(NSC))
触发输入最小脉冲宽度1 ms(NIRScoutX(NSX))
触发输入最小脉冲间隔100 ms(NIRScout(NSC))
触发输入隔离方式光电隔离
帧标记输出脉冲规格0.1 ms 正 5 V 脉冲
触发线缆长度3 m
光源连接器形式每个 20 针连接器可插接一组 8 通道光源光极(NIRx LED-POD-8)
交流输入电压范围90–250 VAC
交流输入频率50–60 Hz
功耗175 W(最大)
供电相数1
保护接地要求须通过电源线接至带保护接地的供电电源
电源线规格三芯电缆(零线、火线、保护地),仪器端采用 IEC C13 型连接器,并具备适用认证(如欧盟 VDE、TÜV、GS;美国 CSA、UL)
EMC 合规线缆与附件要求非屏蔽电源线 250 VAC、6 A、最长 5 m;NIRx LED 照明探头 Type NLP-8
光极类型单尖光极、双尖光极、钝尖光极
配套头帽NIRScaps 头帽,完全可定制,适配各年龄段,支持多模态
标准配置清单NIRScaps 头帽、便携箱、应力消除硬件、触发线缆、仪器用 PC
可选配件清单Computer Cart、Active Trigger Splitter、fMRI/TMS 模块、平头与钝头探头、Animal NIRS Module、BCI/Neurofeedback Module
MRI 与 TMS 环境适配模块仅选配支持
光纤最小弯曲半径不小于 2 cm
超扫描功能支持(单系统同步采集多名参与者)
超扫描功能最多 4 组独立的双侧 16 光源/8 探测器阵列,可用于 4 名受试者
配套数据采集软件NIRStar
地形成像分析软件nirsLAB
断层成像分析软件NAVI
刺激呈现软件NIRStim
数据文件格式开放数据格式(Open data format)
实时数据流接口支持
脑机接口与神经反馈功能仅选配支持(需选配 NIRStar 模块)
在线信号质量监测功能支持
三维光极位置配准功能支持
可编程光源照明模式功能支持
激活结果显示方式2D、3D 与 MNI 显示
自动硬件诊断功能支持
多模态兼容性支持与 EEG、fMRI、眼动追踪、人工耳蜗、TMS、tDCS、EMG 等模态同步测量
机箱形式工业标准模块化机架式机箱,功能部件为可插拔电子模块卡
前面板尺寸宽 63 HP(320 mm)×高 4 U(177.8 mm)(NIRScoutX(NSX))
探测模块卡通道数4(每块 QCD 卡)
探测模块卡可配置数量1–8 块 QCD 模块(4–32 个光学探测通道)(NIRScoutX(NSX))
光源驱动卡通道数8 或 16
混合光源驱动卡容量每卡最多 16 个 2 波长 LED 光源或 16 个 2 波长激光光源(选配 8 个激光/4 波长)(NIRScoutXP(NSXP)带激光选件)
外形尺寸257 mm(宽)×326 mm(长)×165 mm(高)(NIRScout(NSC))
外形尺寸365 mm(宽)×326 mm(长)×204 mm(高)(NIRScoutX(NSX))
外形尺寸365 mm(宽)×330 mm(长)×280 mm(高)(NIRScoutXP(NSX+))
外形尺寸260 mm(宽)×170 mm(高)×330 mm(长)(标准版(Standard);早期版本规格;宣传册 Rev. Nov. 2016)
整机重量6 kg(最大)(NIRScout(NSC))
整机重量11 kg(最大)(NIRScoutX(NSX))
整机重量13 kg(最大)(NIRScoutXP(NSX+))
整机重量10 kg(标准版(Standard);早期版本规格;宣传册 Rev. Nov. 2016)
工作温度范围10–40 °C(运行)
存储与运输温度范围-15–70 °C
工作相对湿度范围20–80%(非冷凝)
工作环境气压范围700–1060 hPa
使用环境限制仅限室内使用;不得在易燃麻醉气体环境中使用,不得在手术室使用
运行方式连续运行(Continuous)
外壳清洁方法可用湿布擦拭,可用温和肥皂或玻璃清洁剂辅助;不得使用溶剂,使用前须彻底干燥
探头清洁与消毒方法与皮肤接触的光纤探头端可用 70% 异丙醇擦拭清洁消毒;禁止使用乙醇、甲醇或丙酮,禁止高压蒸汽灭菌
探头与头帽灭菌方法光纤与 LED 探头及织物帽可采用冷气体灭菌;光纤不适用于高压蒸汽灭菌
定期维护要求用户、销售商或制造商均无需对仪器进行定期维护、校准或检查
废弃处置要求不得作为生活垃圾处置,须联系制造商获取适当处置信息
安全标准DIN EN 60601-1:2007
电磁兼容标准DIN EN 60601-1-2:2007
电击防护类别I 类(Class I)
应用部分防电击类型BF 型(Type BF)
外壳防液体进入等级IPX0(不防护)
CE 符合性声明CE
CE 符合性声明已出具 NIRScout 符合性声明(Konformitätserklärung / Declaration of Conformity),依据 DIN EN 60601-1:2007 与 DIN EN 60601-1-2:2007,由 NIRx Medizintechnik GmbH 于 Berlin, 2017-11-20 签署
激光安全等级1 类(Class 1)(NIRScoutXP 激光光源;至少 2 个光源切换步骤,由软件强制)
激光安全分类依据标准IEC 60825-1:2014, Edition 3;测试报告 NO. LE-L143/17(Seibersdorf Laboratories,2017-12-11)(NIRScoutXP(NSXP),2 波长配置)
激光安全分类依据标准IEC 60825-1:2014, Edition 3;测试报告 NO. LE-L105/18(Seibersdorf Laboratories,2018-08-22)(NIRScoutXP(NSXP),4 波长配置)
LED 光生物安全分类EN 62471:2008 豁免组(Exempt Group);测试报告 NR. LE-L11/13(Seibersdorf Laboratories,2013-01-31)
LED 光生物安全分类低功率 NIR LED 照明,判定为眼安全(Exempt)(LED 照明)
激光安全联锁激光光纤插座配有传感器,光纤插头拔出时中断激光输出(NIRScoutXP(NSXP)激光光源)
易燃麻醉气体环境适用性不适用于存在与空气、氧气或氧化亚氮形成的易燃麻醉混合气的环境
医疗器械属性非医疗器械
FDA 审批状态未获 FDA 批准;仅限研究性使用,对人体受试者测量前须取得 IRB 批准
用途限制仅限研究用途;禁止用于诊断、治疗、生命功能监测或其他医疗目的
适用受试人群健康与患病的成人、儿童及动物
操作人员资格要求仅限医生与医学专家使用;不得由无资质人员使用

相关实验室

以下机构来自本仪器关联论文的作者署名,不代表已确认采购或持有该仪器。

波兰什切青波美拉尼亚医科大学

地区:波兰

署名作者:卡罗利娜·耶杰尔斯卡、亚历山德拉·雷乌

研究方向:功能近红外光谱fNIRS、性别差异、Nefroball、交互式与被动任务

关联论文 1 篇

挪威奥斯陆城市大学

地区:挪威

署名作者:哈伦·汗、佩曼·米尔塔赫里

研究方向:功能近红外光谱(fNIRS)、深度学习、单指运动、分类

关联论文 1 篇

实验方法

研究方向:面向fNIRS脑机接口的运动皮层血流动力学响应解码、fNIRS信号的机器学习与深度学习分类、皮层血流动力学响应的性别差异、交互式与被动感觉运动任务中的皮层激活

基于NIRScout的单指敲击运动皮层fNIRS信号采集与多分类机器学习实验

方法说明:采用NIRx NIRScout连续波fNIRS系统(760 nm与850 nm,采样率3.9063 Hz),以16个光源与16个探测器按10-10国际系统覆盖运动皮层,对24名右利手受试者进行右手拇指、食指、中指、无名指、小指的单指敲击块设计任务采集。数据经截断、尖峰去除、通道剔除、修正Beer-Lambert定律转换、Butterworth滤波与运动伪迹校正后,以各通道事件平均ΔHbO、ΔHbR、ΔHbT为特征,比较LDA、QDA、MNLR、RF、XGBoost等机器学习模型以及所提出的深度学习模型Hemo-Net在五类手指运动分类中的性能。

实验仪器:连续波近红外脑功能成像系统 NIRScout;光极支架帽

实验步骤

  1. 受试者招募与准备

    说明:招募24名右利手健康受试者(18男6女,24-34岁),排除神经系统疾病及手指运动受限者,签署知情同意。

    关键点:右利手、无神经系统疾病;伦理审查REK No. 322236

  2. 光极布置

    说明:标记枕外隆凸与鼻根定位Cz,按10-10国际电极定位系统在运动皮层上放置16个光源与16个探测器(motor_16_x_16标准布局),源-探间距通过光极支架保持最小3 cm。

    关键点:16×16光极覆盖运动皮层,源-探距离≥3 cm

  3. fNIRS数据采集

    说明:使用NIRScout连续波系统(760 nm、850 nm)以3.9063 Hz采样率记录光强信号。

    关键点:双波长连续波,采样率3.9063 Hz

  4. 单指敲击块设计任务

    说明:基线静息30 s,随后进行拇指、食指、中指、无名指、小指的单指敲击,每次敲击10 s、静息10 s,每种手指3个会话,总时长350 s。

    关键点:块设计,10 s任务/10 s静息,总时长350 s

  5. 信号预处理

    说明:截去首末刺激前后数据,插值法去除尖峰,按变异系数7.5%剔除通道,修正Beer-Lambert定律转换为血红蛋白浓度变化,Butterworth带通滤波(0.01-0.5 Hz),时间导数分布修复法校正运动伪迹,z标准化与基线归零。

    关键点:CV阈值7.5%,Butterworth 0.01-0.5 Hz,TDDR运动校正

  6. 特征提取与模型训练

    说明:以各通道ΔHbO、ΔHbR、ΔHbT事件平均值为特征,训练LDA、QDA、MNLR、RF、XGBoost及深度学习模型(基线DL、LSTM、Bi-LSTM、CNN-LSTM、Hemo-Net)进行五类分类。

    关键点:Hemo-Net采用三个inception块,卷积核10×10、20×20、40×40

  7. 性能评估

    说明:划分训练集与测试集,比较各模型训练准确率、测试准确率、精确率、召回率与F1分数。

    关键点:关注测试集准确率与过拟合情况

实验数据

各通道ΔHbO、ΔHbR、ΔHbT事件平均值

数据来源:NIRScout原始光强经修正Beer-Lambert定律转换与预处理后的血红蛋白浓度变化

实验样本:每类手指约1900个样本,五类共约9500个样本

数据呈现:通道×时间的血流动力学响应曲线、混淆矩阵

分类模型准确率

数据来源:各模型在训练集与测试集上的评估结果

实验样本:LDA测试准确率31.9%,QDA 51.3%,RF 60.2%,XGBoost 57.4%,Hemo-Net 76%

数据呈现:模型性能对比表格与柱状图

方法关联论文:以机器学习释放 fNIRS 的潜力:面向未来脑机接口的精细解剖动作分类

基于NIRScout的交互式与被动足部压力任务皮层血流动力学性别差异fNIRS实验

方法说明:采用NIRx NIRScout fNIRS系统(16个近红外光源、16个探测器),按10-20 EEG标准覆盖左侧半球的视觉、顶叶、运动、前额叶皮层,对97名健康成年人(63女、34男)进行Nefroball足部压力控制器任务采集:交互式方案中受试者通过挤压压力控制器击落虚拟目标(Space Invaders游戏),被动方案中受试者仅以约2 s节律挤压控制器但不影响游戏。每项任务约3 min,中间休息1-2 min。信号经0.01-0.2 Hz带通滤波后提取ΔHbO幅值与达峰时间t_max,在NIRSLab 15.0与Statistica 13中以Mann-Whitney检验与Spearman相关分析比较性别差异。

实验仪器:近红外脑功能成像系统 NIRScout;Nefroball足部压力控制器与交互游戏系统 Nefroball

实验步骤

  1. 受试者招募

    说明:招募97名健康志愿者(63女、34男,中位年龄19岁,范围19-41岁),签署知情同意。

    关键点:健康成年人,性别分组比较

  2. 光极布置

    说明:使用16个近红外光源与16个探测器,按10-20 EEG标准布置于左侧半球,覆盖视觉(枕叶)、顶叶、运动与前额叶皮层。

    关键点:16×16光极,仅覆盖左半球

  3. 交互式任务(方案I)

    说明:受试者用足部挤压Nefroball压力控制器,在Space Invaders游戏中击落虚拟目标,足部压力直接转化为游戏动作,持续约3 min。

    关键点:足部压力直接驱动游戏动作

  4. 被动对照任务(方案II)

    说明:受试者观看游戏画面,以约每2 s一次的节律挤压压力控制器,但动作不影响游戏,持续约3 min;两方案随机顺序呈现,中间休息1-2 min。

    关键点:动作与游戏解耦,顺序随机以抵消学习与疲劳效应

  5. fNIRS信号采集与预处理

    说明:使用NIRScout系统记录信号,并进行0.01-0.2 Hz带通滤波,在NIRSLab 15.0中计算各皮层区域的ΔHbO幅值与达峰延迟t_max。

    关键点:带通滤波0.01-0.2 Hz,指标为ΔHbO与t_max

  6. 统计分析

    说明:Shapiro-Wilk正态性检验后采用Mann-Whitney检验比较男女差异,Spearman相关分析ΔHbO与t_max关系,显著性水平p<0.05。

    关键点:非参数检验,p<0.05

实验数据

各皮层区域ΔHbO幅值

数据来源:NIRScout采集并经NIRSLab 15.0处理的氧合血红蛋白浓度变化

实验样本:男性在顶叶皮层的ΔHbO显著高于女性,在前额叶、运动、视觉皮层及整个左半球亦存在任务依赖的差异

数据呈现:分区域、分性别、分任务的箱线图/柱状图

达峰延迟t_max

数据来源:各区域血流动力学响应达到最大值的时间

实验样本:总体无显著性别差异,但交互式任务中男性在视觉皮层的达峰时间更长

数据呈现:分区域的t_max分布图

方法关联论文:交互式与被动任务中皮层血流动力学响应的性别差异:一项使用Nefroball系统的fNIRS研究

主要部件

暂未收录主要部件

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共 2 篇;当前显示第 1 页

交互式与被动任务中皮层血流动力学响应的性别差异:一项使用Nefroball系统的fNIRS研究

原文题名:Sex Differences in Cortical Hemodynamic Responses During Interactive and Passive Tasks: An fNIRS Study Using the Nefroball System

发表年份:2025

作者:卡罗利娜·耶杰尔斯卡;阿格涅什卡·图龙-斯克日平斯卡;伊沃娜·罗特;安娜·瑟罗卡;亚历山德拉·雷乌

刊源:Sensors

DOI 10.3390/s25185897
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摘要 · 中文整理:本研究旨在利用功能近红外光谱(fNIRS)探究交互式与被动任务中大脑皮层血流动力学响应的性别差异。97名健康成年人(63名女性、34名男性)参与研究。受试者完成两项任务:交互式运动游戏与被动动作,并在五个皮层区域测量激活。氧合血红蛋白ΔHbO血流动力学响应幅值存在统计学显著差异,尤其在顶叶皮层,男性激活水平更高;差异在顶叶、前额叶、左半球与视觉皮层均保持显著。差异在被动任务中更为明显,可能提示男女采用不同的加工策略。尽管最大反应延迟时间tmax无显著组间差异,但男性在视觉皮层倾向于更长的时间。此外,男性中ΔHbO与tmax呈中等正相关,尤其在前额叶皮层。这些结果强调了在神经影像研究中考虑生物性别的重要性,并为后续分析指明了方向。

原文摘要:The present study aimed to investigate sex differences in the hemodynamic response of the cerebral cortex during interactive and passive tasks using functional near-infrared spectroscopy fNIRS. Ninety-seven healthy adults (63 women, 34 men) participated in the study. Participants performed two tasks: an interactive motor game and a passive hand movement, and activation was measured in five cortical regions. Statistically significant differences in the amplitude of the hemodynamic response of oxygenated haemoglobin ΔHbO levels were observed, particularly in the parietal cortex, where men showed higher activation levels. The differences remained significant in the parietal, prefrontal, left hemisphere, and visual cortex. The differences were more pronounced in the passive task, which may indicate different processing strategies in women and men. Although no significant group differences were found in the latency time of maximum reaction tmax, men tended to have longer times in the visual cortex. Additionally, a moderate positive correlation between ΔHbO and tmax was observed among men, particularly in the prefrontal cortex. These results highlight the importance of considering biological sex in neuroimaging studies and suggest directions for further analysis.

关键词:功能近红外光谱fNIRS、性别差异、Nefroball、交互式与被动任务

研究目标:探究在交互式(足部压力驱动游戏)与被动(节律性挤压但不影响游戏)任务中,男性与女性大脑皮层血流动力学响应(ΔHbO幅值与达峰延迟)是否存在差异,以及差异的区域与任务依赖性。

主要结论:男性在多个皮层区域尤其是顶叶皮层的ΔHbO显著高于女性,差异在被动任务中更为明显;达峰时间总体无显著差异,但男性前额叶ΔHbO与t_max呈中等正相关。结果提示性别应作为fNIRS研究中的生物学变量加以考虑,未来应扩展至双侧半球测量并采用更均衡的样本。

创新点:首次将Nefroball足部压力交互游戏系统与NIRScout fNIRS结合,在较大样本(97人)中系统比较交互式与被动任务下皮层血流动力学响应的性别差异,并同时分析幅值与时间(达峰延迟)两类指标。

后续建议:扩展光极布置至双侧半球以评估半球间差异;采用性别均衡的样本并进行功效分析;纳入性激素水平与月经周期等生理变量;结合EEG等多模态手段提升时间分辨率;考察不同年龄段以分离发育因素的影响

APA 引文:Jezierska, K., Turoń-Skrzypińska, A., Rotter, I., Syroka, A., & Rył, A. (2025). Sex differences in cortical hemodynamic responses during interactive and passive tasks: An fNIRS study using the Nefroball system. Sensors, 25(18), 5897. https://doi.org/10.3390/s25185897

仪器引用:An fNIRS system (NIRScout, NIRx Medical Technologies LLC, Glen Head, NY, USA) ... 16 near-infrared light emitters and 16 detectors

以机器学习释放 fNIRS 的潜力:面向未来脑机接口的精细解剖动作分类

原文题名:Unleashing the potential of fNIRS with machine learning: classification of fine anatomical movements to empower future brain-computer interface

发表年份:2024

作者:哈伦·汗;拉宾德拉·卡德卡;马利克·沙希德·苏丹;阿尼斯·亚齐迪;埃尔南多·翁包;佩曼·米尔塔赫里

刊源:Frontiers in Human Neuroscience

DOI 10.3389/fnhum.2024.1354143
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摘要 · 中文整理:本研究探索将功能近红外光谱(fNIRS)信号与现代机器学习技术结合、对特定解剖动作进行分类的潜力,以增加基于 fNIRS 的脑机接口(BCI)应用可用的控制命令数量。研究聚焦于新颖的单指敲击任务,这是 fNIRS 与 fMRI 研究中的经典任务,但以往仅限于左右手或少数手指。24 名右利手被试完成了单指敲击任务,数据由按国际 10-10 系统放置于运动皮层的十六个光源与探测器采集。以事件平均的氧合血红蛋白变化与脱氧血红蛋白变化作为特征,在具有挑战性的多类分类场景中评估多种机器学习模型的表现,方法包括线性判别分析、二次判别分析、多项逻辑回归、极端梯度提升与随机森林。研究提出了一种新的深度学习模型 Hemo-Net,由多路带不同滤波器的并行卷积层构成以提取特征。本文旨在探索 fNIRS 结合机器学习与深度学习方法在多类分类任务中的有效性。随机森林、极端梯度提升与 Hemo-Net 等复杂模型的测试集准确率相对高于线性判别分析、多项逻辑回归与二次判别分析。Hemo-Net 表现最佳,取得 76% 的最高测试集准确率;不过本研究的目标并非提升模型准确率本身,而是探究 fNIRS 是否具备可供现代机器学习与深度学习方法用于多类分类的神经特征,从而支撑脑机接口等应用。像单指运动这样的精细解剖动作用 fNIRS 数据做多类分类是困难的:多项逻辑回归与线性判别分析等传统模型的表现劣于随机森林与极端梯度提升等集成方法,而基于深度学习的 Hemo-Net 优于本研究评估的所有方法,展示了基于 fNIRS 的脑机接口应用的良好前景。

原文摘要:In this study, we explore the potential of using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) signals in conjunction with modern machine-learning techniques to classify specific anatomical movements to increase the number of control commands for a possible fNIRS-based brain-computer interface (BCI) applications. The study focuses on novel individual finger-tapping, a well-known task in fNIRS and fMRI studies, but limited to left/right or few fingers. Twenty-four right-handed participants performed the individual finger-tapping task. Data were recorded by using sixteen sources and detectors placed over the motor cortex according to the 10-10 international system. The event's average oxygenated Δ HbO and deoxygenated Δ HbR hemoglobin data were utilized as features to assess the performance of diverse machine learning (ML) models in a challenging multi-class classification setting. These methods include LDA, QDA, MNLR, XGBoost, and RF. A new DL-based model named "Hemo-Net" has been proposed which consists of multiple parallel convolution layers with different filters to extract the features. This paper aims to explore the efficacy of using fNRIS along with ML/DL methods in a multi-class classification task. Complex models like RF, XGBoost, and Hemo-Net produce relatively higher test set accuracy when compared to LDA, MNLR, and QDA. Hemo-Net has depicted a superior performance achieving the highest test set accuracy of 76%, however, in this work, we do not aim at improving the accuracies of models rather we are interested in exploring if fNIRS has the neural signatures to help modern ML/DL methods in multi-class classification which can lead to applications like brain-computer interfaces. Multi-class classification of fine anatomical movements, such as individual finger movements, is difficult to classify with fNIRS data. Traditional ML models like MNLR and LDA show inferior performance compared to the ensemble-based methods of RF and XGBoost. DL-based method Hemo-Net outperforms all methods evaluated in this study and demonstrates a promising future for fNIRS-based BCI applications.

关键词:功能近红外光谱(fNIRS)、深度学习、单指运动、分类、脑机接口(BCI)

研究目标:探索fNIRS信号是否包含足以区分右手五根手指单指敲击的神经特征,并评估传统机器学习与深度学习方法在此多分类任务上的可行性,以扩展fNIRS脑机接口的控制命令数量。

主要结论:fNIRS信号可用于精细解剖运动的多分类;RF、XGBoost等集成方法优于LDA、MNLR等传统模型,所提出的深度学习模型Hemo-Net取得最高76%的测试集准确率,展现了fNIRS脑机接口的潜力,但仍需更大数据集、更优模型与更低计算需求。

创新点:首次将fNIRS用于五指单指敲击的多分类任务;提出基于并行多尺度卷积(inception块)的Hemo-Net深度学习模型;系统比较了经典机器学习、集成学习与多种深度学习模型在同一fNIRS数据集上的表现。

后续建议:扩大样本量并结合迁移学习初始化模型权重以缓解过拟合;直接基于原始时间序列而非事件平均值建模以保留时间依赖结构并支持实时应用;利用GAN或VAE等生成模型进行数据增强;采用EEG-fNIRS混合模态提升时间分辨率与分类性能;引入短距离通道回归以去除表层生理干扰

APA 引文:Khan, H., Khadka, R., Sultan, M. S., Yazidi, A., Ombao, H., & Mirtaheri, P. (2024). Unleashing the potential of fNIRS with machine learning: classification of fine anatomical movements to empower future brain-computer interface. Frontiers in Human Neuroscience, 18, 1354143. https://doi.org/10.3389/fnhum.2024.1354143

仪器引用:A continuous-wave (λ1 = 760 nm, λ2 = 850 nm) optical tomography machine NIRScout (NIRx Medizintechnik GmbH, Germany) was used to acquire brain data with a sampling rate of 3.9063 Hz

使用资料与操作视频

神经反馈实验平台-Neurofeedback

简介:Real time afternoons Neurofeedback is no invasive imaging methods and probably a new treatment strategy compared,with fMRI it is less sensitive to movement patients user friendly much cheaper.The established Neurofeedback experimental platform.consists of three parts,first they are acquisition and transmission,second only data processing and feedback third experimenter interface。

发布时间:2020-03-04T09:29:18Z

NIRScout fNIRS神经成像系统

简介:Watch a less than 60-second NIRScap setup with the NIRScout fNIRS neuroimaging system.

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fNIRS - NIRscoutX超扫描

简介:This video shows the NIRScout Extended near-infrared spectroscopy imaging system, by NIRx Medical Technologies, and its components. The system is the highest-density NIRS imager available today, with up to 64-source and 32-detector configurations available. In addition, it can use both LED and Laser source illuminators.

发布时间:2020-03-04T06:41:34Z

fNIRS超扫描-专业小提琴手

简介:Beautiful music is made between these violinists playing together while being measured from the same fNIRS system from NIRx (NIRScout). For more information on multi-subject, and other versatile fNIRS systems check out www.nirx.net. This is a pilot study done within an ongoing technical-scientific collaboration with the Federal University of ABC (UFABC), São Bernardo do Campo, Brazil

发布时间:2020-03-04T06:20:51Z