一種基于模擬閱讀事件相關(guān)電位的腦-計(jì)算機(jī)接口

一種基于模擬閱讀事件相關(guān)電位的腦-計(jì)算機(jī)接口

0視覺(jué)刺激物imication-bci提供作業(yè)信息的突現(xiàn)對(duì)比,消除突現(xiàn)近年來(lái)，基于事件相關(guān)腦電圖的腦計(jì)算機(jī)接口（bci）已經(jīng)發(fā)展，并顯示出了廣泛的前景。然而，在今天的erp-bci中，存在一些嚴(yán)重的影響其性能的缺陷。這些缺陷是基于刺激pm模型的模式，即突發(fā)性視覺(jué)刺激物用于提供受試者提供移動(dòng)信息。當(dāng)這些沖突時(shí)，這些沖突也會(huì)受到突發(fā)性特征的刺激，導(dǎo)致內(nèi)部腦噪聲。這種內(nèi)源性自發(fā)的腦噪聲破壞了用戶意圖和信號(hào)特征之間的相關(guān)性穩(wěn)定。er被迫花大量時(shí)間通過(guò)平均信號(hào)技術(shù)提取與用戶意圖相關(guān)的信號(hào)特征，這會(huì)導(dǎo)致信息的傳輸顯著減少。顯然，要有效解決這些問(wèn)題，僅僅依靠信號(hào)是不夠的。模擬閱讀(imitating-reading,IR)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞且环N能高效地提取事件相關(guān)腦電位的誘發(fā)模式.該模式由于消除了突現(xiàn)刺激:(1)用戶得以從一種更接近自然的方式獲得作業(yè)信息;(2)用戶意圖相關(guān)信號(hào)的特征,在模擬閱讀模式中由目標(biāo)相關(guān)ERP本身唯一決定,而不像傳統(tǒng)的模式那樣須由目標(biāo)相關(guān)ERP信號(hào)與非目標(biāo)相關(guān)ERP信號(hào)兩者的差來(lái)決定.這種ERP被稱為模擬閱讀事件相關(guān)腦電位(IR-ERP).由于IR-ERP的上述優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于完全不同于傳統(tǒng)的誘發(fā)模式,因此本研究所設(shè)計(jì)的IR-ERP-BCI,不論是它的硬件、軟件,還是用戶選取目標(biāo)的方式,都與現(xiàn)今的ERP-BCI有重大區(qū)別.1r-ep-bci的結(jié)構(gòu)和原理1.1平均生成和運(yùn)行時(shí)間虛擬鍵盤是IR-ERP-BCI的關(guān)鍵部件,它的結(jié)構(gòu)如圖1所示.雖然IR-ERP-BCI鍵盤與文獻(xiàn)中所描述的鍵盤都有36個(gè)鍵,但是它們的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)不同的.IR-ERP-BCI鍵盤的每個(gè)鍵分成兩部分,上半部標(biāo)注有代表該鍵名稱的字符,下半部有一個(gè)如同文獻(xiàn)那樣的小視窗.BCI運(yùn)行時(shí),鍵的亮度不發(fā)生變化,只是在小窗口中,有類似于文獻(xiàn)的符號(hào)句不間斷地從右向左移過(guò).與文獻(xiàn)不同的是,每個(gè)鍵窗口中的符號(hào)句所攜帶的顏色標(biāo)記為2個(gè),而不是1個(gè),2個(gè)標(biāo)記的顏色相同和不同的幾率均為50%,它們按設(shè)定的時(shí)間在小窗口先后出現(xiàn).每個(gè)鍵的尺寸為1.2cm×1.2cm,鍵間距為0.3cm.在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),36個(gè)小視窗中的符號(hào)句同步地周期性地移動(dòng)和靜止,每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間為2400ms.一個(gè)周期中移動(dòng)和靜止的時(shí)間分別為2200ms和200ms.單個(gè)色標(biāo)通過(guò)小視窗所花費(fèi)的時(shí)間為150ms.以每個(gè)周期的開始為參考點(diǎn),色標(biāo)在36個(gè)窗口中出現(xiàn)時(shí)間是不同步的,它們由IR-ERP-BCI預(yù)先設(shè)定.每個(gè)鍵由與其相對(duì)應(yīng)的那對(duì)色標(biāo)在窗口出現(xiàn)的2個(gè)時(shí)間唯一確定.1.2erp的任務(wù)周期用戶在使用該BCI時(shí),每當(dāng)擬輸入一個(gè)字符時(shí),就搜索并辨識(shí)目標(biāo)鍵下的窗口中、夾雜于移動(dòng)的符號(hào)句中的一對(duì)色標(biāo),同時(shí)BCI采集使用者頭部的IR-ERP信號(hào).一旦這對(duì)色標(biāo)被搜索到,便完成一個(gè)字符的輸入(即完成一個(gè)周期).一個(gè)周期中,可以采集到一組用于辨識(shí)的ERP數(shù)據(jù).雖然在輸入一個(gè)目標(biāo)字符的周期中,共有36對(duì)色標(biāo)隨各自的字符句分別移過(guò)虛擬鍵盤中的36個(gè)字符窗口,但是在采集到的每組ERP中,只有目標(biāo)鍵的色標(biāo)誘發(fā)出了兩個(gè)足夠識(shí)別的ERP成分(如圖2中實(shí)曲線.相應(yīng)地,虛線代表無(wú)色標(biāo)出現(xiàn)或非目標(biāo)鍵色標(biāo)出現(xiàn)時(shí)的EEG).因此,只要確定了這對(duì)P300類的ERP成分是由哪一對(duì)色標(biāo)所誘發(fā)的,就確定了用戶擬輸出的字符.為了使表達(dá)用戶意圖的IR-ERP成分不易退化,并使用戶的意圖與相應(yīng)IR-ERP成分的特征有穩(wěn)定的相關(guān)性,要求用戶積極地對(duì)先后出現(xiàn)在目標(biāo)字符鍵窗口中的一對(duì)色標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和默比.每個(gè)標(biāo)記的顏色都不太鮮艷,必須注意才能發(fā)現(xiàn).1.3建立平均erp為了確定某個(gè)周期中用戶擬輸出的目標(biāo)字符,IR-ERP-BCI對(duì)在該周期中得到的ERP作如下處理:(1)信號(hào)預(yù)處理,去掉偽跡和干擾,提高信噪比(如圖3上為原始數(shù)據(jù)曲線,下為處理后的數(shù)據(jù)曲線);(2)對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)(曲線),以每個(gè)字符鍵對(duì)應(yīng)的一對(duì)色標(biāo)出現(xiàn)的時(shí)間為起點(diǎn),復(fù)制2條長(zhǎng)500ms的子ERP;(3)將這2條子ERP進(jìn)行平均得到1條平均ERP,這樣,一共可以得到36條與各字符鍵對(duì)應(yīng)的平均的ERP;(4)將這36條平均的ERP分別與預(yù)先得到的用戶各自的P300類模板進(jìn)行匹配,并從中識(shí)別出與模板最接近的平均ERP,由此就確定了用戶擬輸出的字符.(2)～(4)步處理過(guò)程如圖4所示.由圖4可以判斷,目標(biāo)鍵的一對(duì)色標(biāo)分別在100ms和1100ms出現(xiàn)在其窗口,由此可以確定目標(biāo)鍵.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析6個(gè)正常被試(4男2女)參加了實(shí)驗(yàn),他們的平均年齡為25歲(從21到30歲).在正式實(shí)驗(yàn)前,被試要接受一段時(shí)間的訓(xùn)練.在正式試驗(yàn)中,被試的任務(wù)是用IR-ERP-BCI的虛擬鍵盤輸入一句事先給定的簡(jiǎn)單句子WELCOMETOUSETHEBRAINCOMPUTERINTERFACE.虛擬鍵盤顯示在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器上.被試面朝監(jiān)視器屏幕舒適地坐著,眼睛距屏幕75cm左右.ERPs用NEROSCAN系統(tǒng)采集,電極按10～20國(guó)際系統(tǒng)安放,4個(gè)電極的位置分別是FZ,CZ,PZ,OZ.垂直眼電和水平眼電由置于左眼上下和兩眼外眥的電極監(jiān)控.采樣頻率為1kHz.提取信號(hào)特征并翻譯成字符的工作由PC機(jī)離線完成,按1.2條和1.3條提供的方法進(jìn)行處理.在本次實(shí)驗(yàn)中,6個(gè)被試每人重復(fù)輸入了3遍,一共輸入了774個(gè)字符,IR-ERP-BIC正確識(shí)別的字符為629個(gè),因此,輸入字符被識(shí)別的準(zhǔn)確性為81%.另考慮到虛擬鍵盤的字符有36個(gè),輸入一個(gè)字符所耗費(fèi)的時(shí)間是2.4s,按照文獻(xiàn)的計(jì)算方式和計(jì)算公式,本系統(tǒng)的字符傳輸率為25個(gè)字符/min,通信傳輸率為87b/min.以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于消除了突現(xiàn)刺激,IR-ERP-BCI不僅延緩了用戶的疲勞,而且抑制了外源性的和內(nèi)源性的誘發(fā)腦噪聲使BCI的通信傳輸率得到大幅度提高.3ir-erp-bci的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析都表明,從ERP信號(hào)產(chǎn)生之前的誘發(fā)環(huán)節(jié),而不是ERP信號(hào)產(chǎn)生之后的處理環(huán)節(jié)出發(fā)來(lái)改善BCI的性能.IR-ERP-BCI不僅是一個(gè)新的研究領(lǐng)域,而且為開拓BCI的研究思路提供了一個(gè)好的借鑒.對(duì)IR-ERP-BCI的深入研究將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的理論意義并具有較大實(shí)用價(jià)值.由于通過(guò)模擬