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基于近红外脑功能成像的脑机接口系统增强晚期肌萎缩侧索硬化症患者的交流能力。

Enhancing Communication for People in Late-Stage ALS Using an fNIRS-Based BCI System.

出版信息

IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2020 May;28(5):1198-1207. doi: 10.1109/TNSRE.2020.2980772. Epub 2020 Mar 13.

Abstract

OBJECTIVE

Brain-computer interface (BCI) based communication remains a challenge for people with later-stage amyotrophic lateral sclerosis (ALS) who lose all voluntary muscle control. Although recent studies have demonstrated the feasibility of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) to successfully control BCIs primarily for healthy cohorts, these systems are yet inefficient for people with severe motor disabilities like ALS. In this study, we developed a new fNIRS-based BCI system in concert with a single-trial Visuo-Mental (VM) paradigm to investigate the feasibility of enhanced communication for ALS patients, particularly those in the later stages of the disease.

METHODS

In the first part of the study, we recorded data from six ALS patients using our proposed protocol (fNIRS-VM) and compared the results with the conventional electroencephalography (EEG)-based multi-trial P3Speller (P3S). In the second part, we recorded longitudinal data from one patient in the late locked-in state (LIS) who had fully lost eye-gaze control. Using statistical parametric mapping (SPM) and correlation analysis, the optimal channels and hemodynamic features were selected and used in linear discriminant analysis (LDA).

RESULTS

Over all the subjects, we obtained an average accuracy of 81.3%±5.7% within comparatively short times (< 4 sec) in the fNIRS-VM protocol relative to an average accuracy of 74.0%±8.9% in the P3S, though not competitive in patients with no substantial visual problems. Our longitudinal analysis showed substantially superior accuracy using the proposed fNIRS-VM protocol (73.2%±2.0%) over the P3S (61.8%±1.5%).

SIGNIFICANCE

Our findings indicate the potential efficacy of our proposed system for communication and control for late-stage ALS patients.

摘要

目的

脑-机接口(BCI)的交流仍然是肌萎缩性侧索硬化症(ALS)晚期患者的一个挑战,他们失去了所有的自主肌肉控制。尽管最近的研究已经证明了功能近红外光谱(fNIRS)成功控制 BCI 的可行性,主要针对健康人群,但这些系统对于 ALS 等严重运动障碍患者来说仍然效率低下。在这项研究中,我们开发了一种新的基于 fNIRS 的 BCI 系统,与单一试验视-心(VM)范式相结合,以研究增强 ALS 患者交流的可行性,特别是那些疾病晚期的患者。

方法

在研究的第一部分,我们使用我们提出的方案(fNIRS-VM)记录了六名 ALS 患者的数据,并将结果与传统的基于脑电图(EEG)的多试验 P3Speller(P3S)进行了比较。在第二部分,我们记录了一名处于晚期闭锁状态(LIS)的患者的纵向数据,该患者已经完全失去了眼球控制。使用统计参数映射(SPM)和相关分析,选择最佳通道和血液动力学特征,并用于线性判别分析(LDA)。

结果

在所有受试者中,我们在 fNIRS-VM 协议中获得了相对平均准确率 81.3%±5.7%,而在 P3S 中获得了平均准确率 74.0%±8.9%,但在没有明显视觉问题的患者中并不具有竞争力。我们的纵向分析表明,使用我们提出的 fNIRS-VM 协议的准确率显著提高(73.2%±2.0%),而使用 P3S 的准确率为 61.8%±1.5%。

意义

我们的研究结果表明,我们提出的系统在晚期 ALS 患者的交流和控制方面具有潜在的有效性。

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