《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于事件相關(guān)電位的BCI新型輸入系統(tǒng)研究
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第7期
王 根,方慧娟,羅 登
(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建 廈門(mén)361021)
摘要: 設(shè)計(jì)了基于事件相關(guān)電位(ERP)的腦-機(jī)接口(BCI)系統(tǒng),根據(jù)ERP中P300的特性,分別對(duì)比輸入字符的形式及顏色,并在此基礎(chǔ)上采用不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。對(duì)采集到的腦電信號(hào)(EEG)使用疊加平均、獨(dú)立成份分析(ICA)、Fisher線性分類(lèi)器來(lái)進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,輸入方式及實(shí)驗(yàn)參數(shù)會(huì)對(duì)P300的時(shí)域特性及識(shí)別率產(chǎn)生較大的影響。
Abstract:
Key words :

摘  要: 設(shè)計(jì)了基于事件相關(guān)電位(ERP)的腦-機(jī)接口(BCI)系統(tǒng),根據(jù)ERP中P300的特性,分別對(duì)比輸入字符的形式及顏色,并在此基礎(chǔ)上采用不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。對(duì)采集到的腦電信號(hào)(EEG)使用疊加平均、獨(dú)立成份分析(ICA)、Fisher線性分類(lèi)器來(lái)進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,輸入方式及實(shí)驗(yàn)參數(shù)會(huì)對(duì)P300的時(shí)域特性及識(shí)別率產(chǎn)生較大的影響。
關(guān)鍵詞: 腦-機(jī)接口;事件相關(guān)電位;P300;獨(dú)立成分分析;Fisher線性分類(lèi)器

 腦-機(jī)接口BCI(Brain-Computer Interface)為人腦與外界事物進(jìn)行信息交流和控制提供了一種全新的通道,隨著人們對(duì)大腦的研究越來(lái)越深入,可以不使用語(yǔ)言或動(dòng)作,直接通過(guò)腦電信號(hào)來(lái)表達(dá)想法或者操縱設(shè)備。BCI系統(tǒng)一般由三部分組成:對(duì)腦電信號(hào)的采集;對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理;將處理之后分類(lèi)正確的控制信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的控制。事件相關(guān)電位ERP(Event-Related Potentials)是腦電圖EEG(electroencephalogram)中的一種,當(dāng)外加一種特定的刺激,作用于感覺(jué)系統(tǒng)或腦的某一部位,在給予刺激或撤銷(xiāo)刺激時(shí),在腦區(qū)引起的電位變化[1]。ERP中的P300電位是腦-機(jī)接口中廣泛使用的信號(hào)。浙江大學(xué)的陳衛(wèi)東等人設(shè)計(jì)的基于P300電位的BCI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬手臂的控制;瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)實(shí)驗(yàn)室為殘疾人設(shè)計(jì)出基于P300的BCI控制系統(tǒng)[2]。
 如何讓BCI系統(tǒng)貼近生活,設(shè)計(jì)出更為簡(jiǎn)單實(shí)用的BCI系統(tǒng),就顯得比較重要了。在日常生活中,人們對(duì)于密碼并不陌生,本文設(shè)計(jì)的基于ERP的新型輸入系統(tǒng),為密碼輸入提供了一種更為安全的方式,不用手就可以實(shí)現(xiàn)密碼的輸入。由于好的數(shù)據(jù)是無(wú)可替代的[3],通過(guò)實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì)來(lái)產(chǎn)生較好的刺激效果就顯得尤為重要。本文通過(guò)變換輸入字符的形式及顏色,對(duì)不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。對(duì)采集到的EEG進(jìn)行疊加平均,將P300從EEG背景噪聲中分離出來(lái),然后利用獨(dú)立成份分析ICA(Independent Component Analysis)來(lái)剔除眼電,用Fisher線性分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi),對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較來(lái)選出最佳的刺激輸入形式。
1 實(shí)驗(yàn)范式
1.1 字符的形式及顏色

 用于密碼輸入的字符形式可以選擇阿拉伯?dāng)?shù)字(0、1、……9)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)字)或者大寫(xiě)的數(shù)字(零、壹、……玖)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)漢字)。人們一般非常熟悉阿拉伯?dāng)?shù)字;大寫(xiě)的數(shù)字,普及率不及阿拉伯?dāng)?shù)字,但是在一些特殊的場(chǎng)合,如銀行還是會(huì)經(jīng)常用到。并且相對(duì)于拼音文字,漢字是更為徹底的視覺(jué)文字,其腦機(jī)制更注重視覺(jué)加工[4]。除了字符形式的對(duì)比外,又進(jìn)行了字符顏色(黑色、紅色)的對(duì)比。黑色是較為普遍的顏色,紅色能夠引起人們較為強(qiáng)烈的反應(yīng)。本文共設(shè)計(jì)了四組實(shí)驗(yàn):黑色數(shù)字、紅色數(shù)字、黑色漢字及紅色漢字。
1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,準(zhǔn)備階段屏幕上將會(huì)呈現(xiàn)1 s的“+”,之后隨機(jī)出現(xiàn)的字符即為目標(biāo)字符,持續(xù)呈現(xiàn)1 s,隨后一輪10個(gè)字符隨機(jī)閃爍出現(xiàn),重復(fù)多輪,當(dāng)出現(xiàn)與目標(biāo)字符相同的字符時(shí),要求被試者默數(shù)一次。每個(gè)字符出現(xiàn)的概率相同,且滿(mǎn)足偏差刺激概率小于30%;標(biāo)準(zhǔn)刺激概率大于70%。綜合考慮參考文獻(xiàn)[5-6]之后,初步設(shè)定字符閃爍方式亮暗時(shí)間/s的組合取為[0.1,0.3],[0.15,0.3],[0.2,0.3],[0.1,0.4],[0.15,0.4],[0.2,0.4];字符重復(fù)次數(shù)的取值為10,13,15,20;連續(xù)無(wú)間隔訓(xùn)練的目標(biāo)字符個(gè)數(shù)為8,10,15,18。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):亮暗時(shí)間太短,被試者的眼睛會(huì)很快進(jìn)入疲勞狀態(tài),個(gè)別被試者還會(huì)流眼淚;如果亮暗時(shí)間太長(zhǎng),被試者容易走神,刺激效果不明顯;隨著目標(biāo)字符數(shù)目的增多,實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間就會(huì)越久,被試者的注意力會(huì)下降。在咨詢(xún)被試者的基礎(chǔ)上,分析采集到的數(shù)據(jù),最終確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:字符閃爍方式為亮0.15 s,暗0.4 s;訓(xùn)練一個(gè)目標(biāo)字符過(guò)程中,每個(gè)字符隨機(jī)重復(fù)閃爍13次;測(cè)試完8個(gè)目標(biāo)字符之后,被試者可以適當(dāng)休息。
1.3 腦電信號(hào)采集
 實(shí)驗(yàn)采用VC++中的MFC編寫(xiě)信號(hào)的采集存儲(chǔ)等處理程序,實(shí)現(xiàn)19導(dǎo)(FP1,F(xiàn)P2,F(xiàn)3,F(xiàn)4,C3,C4,P3,P4,Po7,Po8,F(xiàn)7,F(xiàn)8,Oz,T4,T5,T6,F(xiàn)z,Cz,Pz)EEG的同步采集。通過(guò)銀-氯化銀電極制作的電極帽采集EEG,經(jīng)過(guò)數(shù)字放大器(中科新拓公司,UEA-24BZ)放大,采樣頻率定為100 Hz,30 Hz低通濾波。由4名女性、3名男性參與實(shí)驗(yàn),平均年齡是24.7歲,對(duì)顏色可以正常識(shí)別,視力矯正到正常,右利手。在實(shí)驗(yàn)之前,被試者已明確自己的任務(wù),保持頭皮干凈,情緒穩(wěn)定,身體狀況良好。實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25℃左右。采用單極導(dǎo)聯(lián),耳電極為參考電極。測(cè)試期間被試者要精神放松,注意力集中,盡可能減少眨眼及肢體運(yùn)動(dòng)。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束,咨詢(xún)被試者默數(shù)的目標(biāo)字符出現(xiàn)次數(shù),以此來(lái)判斷被試者注意力的集中程度。
2 數(shù)據(jù)處理
2.1獨(dú)立分量分析

 對(duì)每名被試者的各組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析,ICA在去除眼電干擾方面有比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),不需要依賴(lài)于數(shù)據(jù)的任務(wù)標(biāo)簽,就可以在無(wú)監(jiān)督的模式下進(jìn)行,得到更多獨(dú)立的信號(hào)源,較為真實(shí)地反映大腦的源活動(dòng),確保各個(gè)分量盡可能的獨(dú)立,繪制出相應(yīng)的獨(dú)立分量的空間模式圖。觀察圖像,若在前額FP1、FP2處,顏色越紅就表明眼電干擾越大,在隨后的處理當(dāng)中,要在盡可能地保留原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,適當(dāng)?shù)靥蕹@些干擾明顯的量。
2.2 P300的波形分析
 對(duì)同一被試者所采集的四組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別繪制出在Oz處目標(biāo)字符與非目標(biāo)字符在刺激之后0.7 s內(nèi)的波形圖,如圖1所示,此被試者比較熟悉漢字中的大寫(xiě)數(shù)字,P300電位的峰值都出現(xiàn)在0.4 s附近。在同為數(shù)字刺激時(shí),在圖1(b)中目標(biāo)字符相對(duì)于非目標(biāo)字符波形的起伏較大,刺激的效應(yīng)較為劇烈。在同為漢字刺激時(shí),在圖1(c)圖中目標(biāo)刺激的最大峰值更為明顯,而圖1(d)中的波形較為雜亂,對(duì)最大峰值有干擾。綜合四幅圖像來(lái)看,圖1(b)中紅色數(shù)字的刺激效果是最好的,在目標(biāo)刺激的起始階段,波形較為平穩(wěn),P300的峰值集中出現(xiàn)在目標(biāo)刺激之后的0.2~0.5 s之間。

 當(dāng)被試者對(duì)于漢字中的大寫(xiě)數(shù)字不熟悉時(shí),漢字試驗(yàn)中,目標(biāo)字符刺激所產(chǎn)生的P300電位峰值會(huì)向后延遲,出現(xiàn)在0.5 s之后。推測(cè)其中的原因可能是:當(dāng)被試對(duì)于比較熟悉的圖片時(shí),反應(yīng)快一些;當(dāng)出現(xiàn)不熟悉的圖片時(shí),反應(yīng)會(huì)慢一些,這樣目標(biāo)字符刺激產(chǎn)生的P300電位會(huì)向后面有些許的延遲。
2.3 正確率分析
 同一個(gè)被試者,兩周內(nèi)要完成四組實(shí)驗(yàn)。所采集到的數(shù)據(jù)為:黑色數(shù)字組共96個(gè)字符;紅色數(shù)字組共96個(gè)字符;黑色漢字組共99個(gè)字符;紅色漢字組共98個(gè)字符,分別進(jìn)行分類(lèi)。取刺激之后0.7 s內(nèi)的數(shù)據(jù)作為分類(lèi)特征,進(jìn)行10次8折交叉驗(yàn)證,分別對(duì)四組實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)據(jù)分類(lèi)。繪制出字符閃爍重復(fù)次數(shù)與正確率之間的關(guān)系,如圖2所示。

 字符在重復(fù)閃爍6~9次之后,會(huì)達(dá)到一個(gè)較為平穩(wěn)的正確率,隨著字符閃爍重復(fù)次數(shù)的增多,并不能提高相應(yīng)的正確率。所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)范式時(shí),可以適當(dāng)?shù)販p少字符閃爍的重復(fù)次數(shù),縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,最終提高輸入系統(tǒng)的效率。在圖2(a)、(b)中,紅色數(shù)字的正確率比黑色數(shù)字的正確率高;圖2(b)、(d)中,紅色數(shù)字的正確率要比紅色漢字的正確率高很多,即在四組實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,紅色數(shù)字的分類(lèi)效果最好。
綜上可知:在圖1中,紅色數(shù)字的波形效果是最好的,目標(biāo)刺激之后的初始階段波形較為平穩(wěn),在0.2~0.5 s內(nèi),P300峰值最大;在圖2中,紅色數(shù)字的分類(lèi)正確率最高。鑒于人們對(duì)于阿拉伯?dāng)?shù)字的熟悉程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于數(shù)字的大寫(xiě)漢字,及對(duì)于此密碼輸入系統(tǒng)的推廣,確定出紅色數(shù)字為最佳的刺激方式。
 本文所設(shè)計(jì)的基于ERP的BCI新型輸入系統(tǒng),通過(guò)分別對(duì)比輸入字符的形式及顏色,采用不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),將腦電信號(hào)的處理結(jié)果進(jìn)行比較,確定出了實(shí)驗(yàn)范式的最佳刺激方式及合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,由于實(shí)驗(yàn)室的條件有限,不能做到完全隔音,以后需要在更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行。被試者在面對(duì)不停閃爍的字符時(shí),很容易疲勞,眨眼是無(wú)法避免的,所以要盡量克服BCI任務(wù)的枯燥感,減少被試者的疲勞程度,使采集到的數(shù)據(jù)盡可能干凈。今后的工作中,在利用Fisher分類(lèi)時(shí),還可以挑選出對(duì)P300起關(guān)鍵作用的通道或者僅選擇刺激之后的0.2~0.6 s之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,降低數(shù)據(jù)的維數(shù),進(jìn)一步提高BCI系統(tǒng)的效率。
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