聽覺腦-機接口技術實驗范式的研究進展

郭苗苗 徐桂芝 王 磊 高海娟

(河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130)

引言

腦－機接口最初是為那些患有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)的患者提供一種控制周圍設備以及與外界交流的方式［1］。然而近些年隨著腦癱、腦干中風、脊髓損傷等疾病的增加，很多患者也都部分或完全喪失了自主控制肌肉的能力，腦－機接口可以用于輔助工具幫助這部分人群進行康復，改善其生活質(zhì)量。腦－機接口技術通過檢測大腦的電活動特性，并將其轉(zhuǎn)化為控制信號，從而控制周圍的設備或者進行交流［2－3］。在過去的20年里，腦－機接口技術發(fā)展很快，國內(nèi)外多個研究小組都展開了腦－機接口領域的研究，腦電信號(electroencephalography，EEG)具有時間分辨率高、采集方法簡單、無創(chuàng)等特點，在BCI研究中應用的最為廣泛，主要實驗方案包括:利用視覺誘發(fā)電位［4］，利用由新異刺激產(chǎn)生的 P300［5］，利用想象肢體運動產(chǎn)生的事件相關同步和去同步現(xiàn)象［6－7］，利用自主控制皮層慢電位波幅［8］等，大量的實驗已經(jīng)驗證了對預先設定的大腦意圖的神經(jīng)信號進行解碼的可能性。目前不止是健康的被試可以應用腦－機接口系統(tǒng)，一些患有ALS的患者也可以很好的操控，這也意味著實用的腦－機接口設備在臨床應用的可行性。

基于誘發(fā)腦電的腦－機接口技術發(fā)展較為成熟，如穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)［9－10］、視覺 P300［11］等。然而，許多處于閉鎖狀態(tài)的患者視覺能力也受到很大程度的影響，或失去了對眼球運動的自主控制能力。而且，對于視覺腦－機接口來說，凝視的能力是很重要的因素。因此視覺刺激和反饋對這些患者的作用十分有限，使其很難使用現(xiàn)有的視覺腦－機接口系統(tǒng)。所以，對于部分癱瘓患者來說，基于聽覺誘發(fā)電位的腦－機接口系統(tǒng)是一個比較有前景的選擇。目前，國際上基于聽覺范式的腦機接口仍處于起步階段，存在很多缺陷。因此，探索聽覺腦機接口的范式是很有意義的。文中回顧了目前常用的聽覺腦－機接口范式，討論了它們的特點及應用，并指出了聽覺腦機接口存在的問題，最后對聽覺腦－機接口的發(fā)展方向進行展望。

1 聽覺腦－機接口的研究現(xiàn)狀

聽覺刺激最初被引入腦－機接口是應用在反饋環(huán)節(jié)。反饋有利于被試根據(jù)自身狀態(tài)和命令執(zhí)行結(jié)果，對思維活動進行調(diào)節(jié)。同時，腦－機接口系統(tǒng)中一些參數(shù)也可以根據(jù)不同受試者的情況進行相應的調(diào)節(jié)，使人與機器能夠互相適應，從而提升整個腦－機接口系統(tǒng)的性能。

2004年Hinterberge等第一次將聽覺反饋范式引入了腦－機接口研究［12］。實驗中采用基于自我控制皮層慢電位的腦－機接口系統(tǒng)，它使得患有完全殘疾的病人可以使用他們的皮層電位去交流。通過聽覺或視覺刺激向被試提供指示、反饋以及加強，使其能夠控制皮層慢電位。結(jié)果顯示被試可以通過學習訓練實現(xiàn)對皮層慢電位的控制，并且單獨的聽覺反饋的結(jié)果要比視覺反饋的性能差。Pham等對同樣的范式進行了進一步的研究，并得到類似的結(jié)論［13］。聽覺刺激反饋的性能不如視覺刺激的，而且二者的結(jié)合也并不能達到更好的結(jié)果。Nijboer等研究探討運用視覺和聽覺反饋來增加或減少感覺運動的節(jié)律［14］。結(jié)果表明視覺反饋結(jié)果優(yōu)于聽覺反饋，但是只要有足夠的訓練時間，聽覺反饋會達到與視覺反饋一樣的效果，而且在訓練的過程中，發(fā)現(xiàn)被試的情緒和動機是很重要的。

基于皮層慢電位和想象運動的聽覺范式是運用聽覺刺激作為反饋，以下聽覺范式則是通過分析聽覺刺激引起的事件相關電位進行腦－機接口控制的，根據(jù)聽覺刺激方式的不同將其分為4類:基于聽覺P300、基于穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位、基于選擇注意以及基于空間定位的聽覺范式。

1.1 基于聽覺P300的范式

第1類聽覺腦－機接口是基于聽覺事件相關電位(event－related potential，ERP)P300 的范式。事件相關電位是受試者對具有信息意義的刺激信號認知加工時從頭皮記錄到的腦誘發(fā)電位，其主要成分P300，是位于刺激后300 ms處的正向波，普遍認為P300與人腦的信息加工及處理有關，是測定人腦認知加工功能或心理活動的客觀指標。

基于聽覺P300的腦－機接口范式是對視覺范式的改進，視覺刺激被一些聽覺刺激代替。Sellers等第一次運用基于聽覺P300的范式，研究ALS患者對BCI的控制［15］。文中評估了由隨機的4種刺激(YES、NO、PASS、END)引起的 P300 電位控制 BCI系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，3名ALS患者中有兩名的分類正確率與健康被試所得的結(jié)果相當。

Furdea等將視覺P300 speller變形為聽覺P300 speller，通過將5×5的矩陣的行列與語音數(shù)字相對應［16］。結(jié)果顯示聽覺的平均正確率(65.00%)要比視覺范式的低很多(94.62%)，這使得聽覺P300 speller的信息傳輸率(1.54 bits/min)也低于視覺的(6.8 bits/min)。Klobassa等也采用了聽覺 P300 speller的方法，不同的是提供給被試的刺激聲音為bell，bass，ring，thud，chord 以及 buzz聲［17］，如圖1所示。雖然分類正確率與先前的研究相比較高，但是信息傳輸率(1.86 bits/min)仍然低于傳統(tǒng)的視覺speller，同時他們的研究表明，通過持續(xù)的訓練可以改進speller的性能。K?thner等首次研究了聽覺和視覺P300 speller的主觀工作量之間的差異［18］，探索了不同工作量、情緒以及動機對腦－機接口性能和P300波幅的影響。結(jié)果表明，聽覺speller與視覺的相比所需工作量更大，在聽覺范式中，被試的動機意愿對Pz電極的P300幅值影響很大。

1.2 基于穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位的范式

圖1 基于聽覺P300的范式［17］Fig.1 Auditory P300-based BCI paradigm ［17］

同穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位類似的原理，聽覺誘發(fā)電位在刺激間隔較長時，大腦活動在下一個刺激到來之前可以完全恢復。如果縮短刺激間隔時間，那么獲得的誘發(fā)電位就開始互相重疊，這樣就可得到穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位。對穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位(auditory steadystate response，ASSR)的興趣起源于 Galambos的研究［19］，給予重復率 10～55 Hz的喀喇音(clicks)和短純音(tone bursts)刺激，發(fā)現(xiàn)40 Hz的刺激頻率可以獲得最大的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位。

Kim等提出一種新的基于穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)的聽覺腦－機接口范式［20］。實驗中，兩種純音序列加上不同的調(diào)制頻率(37和43 Hz)，同時從左右兩個方向的擴音器呈現(xiàn)，如圖2所示。要求6名被試閉眼，并且在刺激間隔根據(jù)隨機的指令集中注意一種聽覺刺激。通過計算兩個調(diào)制頻率的頻譜密度提取特征向量，實驗結(jié)果顯示比較高的分類正確率，而且他們還設計了第一個在線的穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)的腦－機接口系統(tǒng)。

圖2 基于穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位的BCI范式［20］Fig.2 Auditory BCI paradigm based on ASSR ［20］

1.3 基于選擇注意的聽覺范式

基于與人的聽覺感知相關的聽覺響應的特點，如聽覺的掩蔽效應(雞尾酒效應)、聽覺流分割等［21］，一些聽覺BCI范式根據(jù)聽覺相應的特點進行實驗設計或者對傳統(tǒng)的實驗進行改進。

Halder等提出一種基于3種刺激的聽覺腦－機接口范式［22］。這種范式只是在標準的oddball范式的基礎上增加了一種目標刺激(兩種目標刺激，一種標準刺激)。文中評估了3種任務包括不同的目標刺激頻率，音高和聲道。結(jié)果表明，20名健康的被試的平均信息傳輸率為2.46 bits/min，正確率為78.5%。同樣，Hill等也對 oddball范式進行了改進，不同的是被試兩耳被同時呈現(xiàn)兩種獨立的聽覺oddball刺激［23］。實驗結(jié)果顯示:15名被試中有6名在沒有訓練的情況下分類正確率超過90%。Hill等還對不同聽覺流刺激的選擇性注意進行了研究，比較了聽覺事件相關電位和穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)響應對BCI性能的影響［24］。郭等也同樣采用了3種刺激的聽覺范式［25］，如圖3所示，并采用小波變換實現(xiàn)單次P300特征提取，縮短了實驗時間，同時提高了信息傳輸率。Lopez－Gordo等采用人的聲音設計了雙耳分聽的聽覺腦－機接口的實驗范式，健康的受試者可以達到平均1.5 bits/min的信息傳輸率［26］。由于實驗僅需一個電極并且無需訓練，這就為不能使用視覺范式的BCI用戶提供了更自然的交流方式。

圖3 3種刺激的選擇注意聽覺BCI范式［25］Fig.3 Auditory BCI paradigm using three-stimulus selective attention［25］

除了上述對oddball范式的改進及應用，基于聽覺的選擇性注意，Guo等提出一個新穎的聽覺腦－機接口范式，要求被試積極主動的在一個隨機數(shù)字序列中選擇一個目標［27］。結(jié)果表明，目標數(shù)字引發(fā)的N2和晚期正成分的幅值要顯著高于非目標刺激。采用支持向量機分類，得到平均精度為85%。Xu等還探查了是否通過增加與注意相關的精神執(zhí)行任務，可以改進基于 ERP的聽覺 BCI的性能［28］。結(jié)果表明積極的精神任務(active mental task，AMT)比傳統(tǒng)的oddball計數(shù)方式引起的P300產(chǎn)生一個更大的晚的正ERP響應。這個新范式驗證了被試自愿識別目標可以提高大腦的辨別力，附加的聽覺特征例如偏側(cè)性或性別的不同，能夠提高基于聽覺P300的腦－機接口的性能。

1.4 基于空間定位的聽覺范式

基于空間定位的聽覺范式本質(zhì)上也是基于聽覺選擇性注意的，但是由于他們更依賴于聽覺刺激的方向性，所以單獨歸為一類。

Schreuder等是第一個研究基于空間定位的聽覺腦－機接口的可行性的［29］。他們指出采用非視覺的范式，會使得使用視覺反饋的干擾達到最低。被試被8個oddball聲音刺激環(huán)繞，并要求注意預期的目標刺激，如圖4所示。10名健康的被試參與了離線的oddball任務，利用刺激聲音的空間位置進行區(qū)分。經(jīng)過對多次試驗進行平均，對于大部分情況正確率達到90%以上，也就是超過90%的實驗能夠正確選擇方向。當取消聲音的空間屬性，把所有的刺激從一個擴音器呈現(xiàn)時，大部分被試的選擇正確率降到70%左右。最近，Hohne等應用了一個九分類的預測文本輸入系統(tǒng)［30］。他們的范式使用一種二維的聽覺刺激方式:3個不同的音調(diào)(high，mid，low)以及 3 個不同的方向(left、right、both)，組成 9個不同的類別。20名健康的被試參與了在線的研究，平均信息傳輸率為3.40 bits/min。為了使得空間定位的聽覺腦－機接口系統(tǒng)更簡單便攜，Nambu等采用頭外聲音定位技術進行聽覺腦－機接口的研究［31］。受試者只需帶上耳機，頭外聲音定位技術就可以為呈現(xiàn)虛擬各方向的空間聲音刺激，而不需要使用揚聲器。實驗中要求受試者只關注一個方向的聲音刺激，結(jié)果表明單次實驗分類結(jié)果可達70.0%。通過與空間分布的揚聲器的聽覺系統(tǒng)相比，基于頭外聲音定位技術的系統(tǒng)可以達到相同的傳輸性能，且會更加便攜。

圖4 基于空間定位的聽覺范式［29］Fig.4 Auditory BCI paradigm using spatial orientation［29］

1.5 不同范式的比較

4種不同的聽覺范式都是通過檢測聽覺響應作為分類特征，從而得到相應的控制信號，只是誘發(fā)聽覺特征信號的方式不同。聽覺P300 speller是由視覺speller演化而來，只是閃爍的視覺刺激變?yōu)檎Z音數(shù)字或者其它的聲音刺激。穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)范式也與穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位類似，但是相比于注視目標字母，聽覺目標刺激由于被動接受，更容易受其它非目標刺激的影響。選擇注意和空間定位的范式都是與聽覺的特性相關，同時也是對oddball實驗的改進，認為人的主動選擇意識會引發(fā)更明顯的事件相關電位，空間定位的范式本質(zhì)上也是選擇注意，被試要求注意某方位的目標刺激，也是一種主動的認知選擇，只是根據(jù)人的聽覺方位判別特性，將其歸為一類。

刺激聲音方面相比，主要有兩種:聲音序列(sequential)和聲音流(streaming)［24］。當聲音刺激為聲音流時，被試不是注意目標刺激，而是選擇兩種聲音流中的一種，無論是目標刺激還是非目標刺激。聲音序列是單一的聲音流，被試需要區(qū)分目標刺激和非目標刺激，因此存在一個缺點就是被試需要等待目標刺激的到來，不過，實驗設計時可以在一個序列中多設幾個目標，如清華大學課題組的實驗［27－28］，8 個數(shù)字代表 8 種類別，從而增加可選命令。

相比于穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)、選擇注意的二分類，P300 speller的可選命令較多，空間定位范式的分類數(shù)目多，均導致較高的信息傳輸率，顯示比較大的優(yōu)勢。但是對于一些嚴重受損的閉鎖患者來說，簡單的二分類還是一個比較好的選擇，如果要實現(xiàn)高的信息傳輸率，則可以選擇其它兩種方法。

2 聽覺腦－機接口存在的問題

聽覺腦－機接口范式作為一種新穎的有針對性的范式，從提出至今不足10年。不同的聽覺腦－機接口范式包括不同的聽覺刺激、反饋或者響應，已經(jīng)提出并且創(chuàng)建了實用的聽覺腦－機接口系統(tǒng)。然而目前聽覺的腦－機接口系統(tǒng)所能達到的信息傳輸率還比較低，大多數(shù)BCI系統(tǒng)仍然是離線分析并處于實驗室階段，被試也多選擇健康者，對殘疾人的測試較少。BCI要進入實際應用階段，仍存在以下問題。

2.1 信息傳輸率低

正如前文所述，聽覺反饋與視覺反饋相比，分類正確率比較低，而且在聽覺speller的信息傳輸率也要低于視覺speller。因此聽覺腦－機接口面臨的第一個問題就是如何提高信息傳輸率。事實上，基于聽覺范式的信號處理方法應該與相應的視覺方法類似，然而聽覺范式的分類正確率仍然比較低，這主要可能是一方面人類可以通過頭部和眼球固定不動將視野較好地集中于某一范圍，受視野外其他位置的刺激較小，而聽覺則是被動接受所有的聲音刺激(包括所有的目標與非目標聲音);另一方面聽覺刺激的精神負荷比較重，被試需要持續(xù)的注意聽覺刺激流，等待目標刺激聲音，而視覺speller中，被試只需簡單的盯著目標刺激。提高信息傳輸率，就需要提高分類正確率、增加分類數(shù)目以及減少刺激時間，因此研究有效的多分類的聽覺腦－機接口范式，可以改進信息傳輸率。正如空間定位的范式，將刺激的方向認為是一個明確的特征用于進行區(qū)分，這樣不但刺激時間會減少而且能實現(xiàn)多分類。與oddball刺激范式不一樣的是，這些空間環(huán)繞的聲音刺激是同時呈現(xiàn)的，被試只需注意聽目標方向的刺激，而不需要等待，在減少精神負荷的同時縮短了實驗時間，值得推廣和學習。

2.2 人類聽覺系統(tǒng)自身特點造成的困難

人類的視覺系統(tǒng)可以通過空間定位將注意力很好地集中于某一位置而忽略其他位置的刺激，但是對于聽覺而言，人類被動接受所有方位上的聲音刺激，這就要求環(huán)境噪聲一定要小。另外，聽覺系統(tǒng)處理聲音信息的時間方差也大于視覺系統(tǒng)。人類聽覺系統(tǒng)自身的這些特點很容易造成聽覺腦－機接口分類正確率低。針對這一問題，在實驗前對被試進行訓練，使其盡可能適應聲音的輸入方式。此外，要求刺激聲音一定要清晰，背景噪聲小，保證受試者聽著舒適，不會有不適的感覺。

2.3 誘發(fā)腦電信號存在的個體差異性

以聽覺P300為例，在一定程度上，事件相關電位的波幅與受試者所投入的心理資源量成正相關，P300的潛伏期隨任務難度的增加而增加。當受試者注意力不集中時很可能不能引起P300，或只能引起很小的P300，而且不同受試者對聲音的敏感性以及反應速度不一樣，這就要求增加受試者的人數(shù)，并要求受試者集中注意力，明確實驗任務，能夠及時做出響應。還有一個需要考慮的因素是，聽覺腦－機接口的提出是為那些視力減退的閉鎖綜合征患者，這些患者隨著自主運動能力的缺失，認知注意力感覺處理也會下降，因此設計的聽覺范式要盡量簡單明確。一種減輕任務難度的方法就是提供更容易區(qū)別的刺激，例如有著不同意義的口語單詞、不同性別的聲音、不同的聲調(diào)等。

2.4 實用化的系統(tǒng)

聽覺腦－機接口與基于視覺的腦－機接口相比，分類數(shù)較少，大部分還是二分類，這對于實用的腦－機接口來說是遠不夠的。這就需要繼續(xù)優(yōu)化實驗范式，在提高分類正確率的同時增加分類數(shù)目。另一方面，對于基于聽覺的異步腦－機接口系統(tǒng)，目前尚未研究。因此，需要進一步采用有效的信號處理方法來區(qū)分“工作狀態(tài)”和“休閑狀態(tài)”，避免系統(tǒng)不間斷地“解讀”大腦信號，使得腦－機接口系統(tǒng)很難實用化［1］。

3 展望

目前國內(nèi)外開展聽覺BCI研究的團隊還比較少，主要包括德國圖賓根大學的醫(yī)學心理學和神經(jīng)生物學研究所，美國Wadsworth中心，我國的清華大學等。聽覺腦－機接口除了可以為那些視覺減退的閉鎖癥患者提供一種無需視覺的交流方式，而且聽覺刺激與視覺刺激相比，還有一些獨特的優(yōu)勢，這就使得即使是視力完好的被試也可以在一些情況下使用基于聽覺的腦－機接口系統(tǒng)。

1)與視覺刺激相比，聽覺刺激可提供全方位的空間信息，而不只是視野范圍內(nèi)的;更容易吸引人的注意;可在夜間以及有遮擋物等不利條件下傳播，所以聽覺腦－機接口系統(tǒng)具有很好的應用前景，這就要求繼續(xù)優(yōu)化，使其達到更高的信息傳輸率，增強系統(tǒng)的實用性和廣泛性。

2)現(xiàn)有的聽覺腦－機接口范式緊緊圍繞與聽覺功能相關的神經(jīng)電生理現(xiàn)象進行設計，例如聽覺選擇性注意，聽覺流隔離以及空間定位等。因此，可以嘗試人類聽覺系統(tǒng)的其他特征設計新的聽覺范式進行研究。基于空間定位的腦－機接口范式，由于可以實現(xiàn)多分類，而且刺激時間較短，具有較高的信息傳輸率，值的進一步的研究和驗證。

3)多模式的腦－機接口融合。聽覺刺激除了可以作為想象運動和皮層慢電位范式的反饋之外，基于聽覺誘發(fā)響應的腦－機接口也在不斷的改進和完善，還可以嘗試有效地將聽覺范式與其他腦－機接口范式融合，模擬現(xiàn)實的環(huán)境，實現(xiàn)多模式、多樣化的腦－機接口系統(tǒng)。

4 結(jié)語

聽覺腦－機接口可以為那些視覺減退的閉鎖癥患者提供一種與外界交流的方式?；诼犛X范式的腦－機接口完全擺脫了視覺和肌肉控制，從聽覺角度入手，對于重癥閉鎖癥患者有更實際的意義，可以為腦－機接口技術在臨床重癥癱瘓患者的康復治療提供一個新的切入點。聽覺范式的腦－機接口具有一些獨特的優(yōu)勢，對于那些視力正常的患者也可以選擇應用，避免長期使用視覺BCI造成的視覺疲勞，因此有必要繼續(xù)優(yōu)化和完善聽覺腦－機接口系統(tǒng)。

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