基于兩類運(yùn)動(dòng)想象的二維光標(biāo)控制的研究

黃硯冰，夏 斌

（上海海事大學(xué) 上海 201306）

腦-機(jī)接口（Brain Computer Interface， BCI）作為一種幫助腦組織損傷的患者實(shí)現(xiàn)大腦與外界環(huán)境直接交流的一種人工輔助技術(shù)，近年來成為神經(jīng)科學(xué)，信號(hào)處理等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)而基于腦-機(jī)接口的二維控制一直是研究重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)開展了諸如腦-機(jī)接口鼠標(biāo)[1]，輪椅控制，機(jī)械手控制等的研究。

腦-機(jī)接口可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)方式不同可以分為侵入式和非侵入式。其中侵入式的BCI的研究由于涉及到大量的技術(shù)難題和臨床風(fēng)險(xiǎn)，所以多集中在動(dòng)物身上或者某一部分人身上，其推廣性受到限制。而非侵入式的BCI系統(tǒng)，通過安放置在大腦皮層外的采集電極就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的采集，這種接觸式的采集電極安全，易操作、靈活。另外Wolpaw JR等人[3]利用基于感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律的非侵入式的腦-機(jī)接口實(shí)現(xiàn)了多維控制，控制效果與侵入式控制效果接近，這些研究成果在一定程度上推動(dòng)了非侵入式腦-機(jī)接口在二維控制研究中的發(fā)展。目前非侵入式BCI二維光標(biāo)控制的研究進(jìn)展比較有代表性的工作有Trejo L J等人的工作[4]；有Xia B研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的基于三類MI的二維控制[5]；Li Y團(tuán)隊(duì)采用混合MI與P300兩種模態(tài)的腦電信號(hào)作為輸出命令信號(hào)實(shí)現(xiàn)了二維控制[6]；Allison B Z等人采用ERD/SSVEP的混合腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)了二維控制[7]等。

現(xiàn)有的二維控制系統(tǒng)中仍然存在一些問題，例如使用難度大，光標(biāo)移動(dòng)軌跡不平滑，光標(biāo)可移動(dòng)位置有限等問題。為了解決以上這些問題，我們擬采用運(yùn)動(dòng)想象來實(shí)現(xiàn)二維控制。設(shè)計(jì)了基于兩類MI的二維控制策略，特點(diǎn)是基于最少種類的MI實(shí)現(xiàn)光標(biāo)的二維控制。

1 基于兩類MI的二維控制策略設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)光標(biāo)在二維平面內(nèi)的任意移動(dòng)，通常需要有左右上下4個(gè)控制命令，所以基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口在線分類出的種類越多，二維控制就越簡(jiǎn)單。但是運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)數(shù)量的增加會(huì)使得用戶難以準(zhǔn)確控制。受汽車駕駛過程中左右轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的啟發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于兩類MI旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的二維控制，該旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系由兩個(gè)固定成120°角的映射方向組成。具體的實(shí)現(xiàn)如下：

首先實(shí)時(shí)采集的腦電信號(hào)會(huì)先經(jīng)過公共空間模式（Common Spatial Patterns，CSP）提取腦電信號(hào)的特征，經(jīng)過線性SVM分類器得到兩類運(yùn)動(dòng)想象分類的輸出概率P1，P2（P1+P2=1，分別代表左右手運(yùn)動(dòng)想象），其中SVM每100 ms輸出一組概率值。然后把輸出概率映射到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Rotating Coordinate System，RCS）上矢量合成光標(biāo)的移動(dòng)速度，完成光標(biāo)移動(dòng)控制。光標(biāo)移動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的移動(dòng)情況如圖1所示。光標(biāo)的速度是矢量合成，上一個(gè)100 ms的速度Vk與在RCS中新合成的速度Vks進(jìn)行矢量合成，如公式（1），其中 ε 是衰減因子（ε∈[0.1，1]）用來防止速度增量太大。

圖1 光標(biāo)移動(dòng)與速度合成細(xì)節(jié)Fig.1 Shows the detail of cursor movement and the generating velocity vector by combing probabilities in the RCS

光標(biāo)的移動(dòng)是在合成速度乘上一個(gè)位移映射因子b=8pixel的作用下完成的。光標(biāo)在直角坐標(biāo)系中的計(jì)算方式如圖3所示，圖中角度α是RCS中心方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)與水平正向的夾角，變化范圍是α∈[0，2π]。假設(shè)光標(biāo)在上一時(shí)刻Sk位置的坐標(biāo)是：

那么在下一個(gè)100 ms，光標(biāo)移動(dòng)到新的位置Sk+1，她的坐標(biāo)計(jì)算方法如下：

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制策略的有效性，我們邀請(qǐng)了四名健康的受試參加二維光標(biāo)控制實(shí)驗(yàn)，年齡在20～26歲之間（平均年齡是23歲），均是右手寫字習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)開始之前，他們會(huì)被告知實(shí)驗(yàn)的基本原理以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，然后由他們自愿簽署知情同意書，在每次?shí)驗(yàn)結(jié)束后會(huì)收到一定的報(bào)酬。其中受試S1和受試S2有過一些運(yùn)動(dòng)想象的控制經(jīng)驗(yàn)。其他兩名受試沒有腦－機(jī)接口實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，受試被要求坐在電腦前面約80 cm位置，盡量保持頭部和肢體不動(dòng)，精神狀態(tài)飽滿。

圖2 直角坐標(biāo)系統(tǒng)中光標(biāo)位置的計(jì)算方法Fig.2 Shows the detail of calculating the cursor movement in the rectangular coordinate system

實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示，控制界面是一個(gè)矩形大小1440*838 pixels，start球是光標(biāo)的起始點(diǎn)，稱為光標(biāo)球,目標(biāo)球是兩倍光標(biāo)球大小，分布在5個(gè)角度不固定的位置，按照數(shù)字標(biāo)識(shí)依次顯示。一個(gè)目標(biāo)球是一個(gè)trial，5個(gè)目標(biāo)全部完成是一個(gè)run。界面的右下角的速度表盤位置（240*300 pixels）用來實(shí)時(shí)的顯示光標(biāo)的移動(dòng)速度。光標(biāo)球的工作界面大小是（1440*838－240*300）pixels。 實(shí)驗(yàn)設(shè)置光標(biāo)球大小，目標(biāo)球大小和實(shí)驗(yàn)界面大小的比值是0.00048:0.0022:1。

受試根據(jù)系統(tǒng)的提示進(jìn)行固定時(shí)間長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)想象，在每個(gè)trial開始之前，會(huì)有一個(gè)3 s倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，目標(biāo)球變色，如果受試可以在60 s時(shí)間內(nèi)，控制移動(dòng)光標(biāo)撞擊到目標(biāo)球，則此次trial會(huì)提前終止，否則會(huì)在60 s后終止，緊接著進(jìn)入下一個(gè)trial的實(shí)驗(yàn)。依次類推。5個(gè)按照?qǐng)D中目標(biāo)位置順序出現(xiàn)。系統(tǒng)中的移動(dòng)光標(biāo)球的坐標(biāo)每0.1 s更新一次。實(shí)驗(yàn)要求每個(gè)受試進(jìn)行15個(gè)run的控制實(shí)驗(yàn)。

圖3 固定5目標(biāo)實(shí)驗(yàn)仿真圖Fig.3 The five 5-fixed target experimental simulation map

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4位受試分別進(jìn)行了15個(gè)run的控制實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)完成率平均在100%，但是每個(gè)run的平均完成時(shí)間因人而異，其中受試S1的控制效果最好。在表1中展示了試驗(yàn)次數(shù)，目標(biāo)成功完成率，一個(gè)run的平均完成時(shí)間和光標(biāo)移動(dòng)軌跡與最優(yōu)路徑的比值（越接近1，說明光標(biāo)的移動(dòng)軌跡越趨近于最優(yōu)路徑）。另外在圖4中，我們展示了4名受試在實(shí)驗(yàn)過程中的光標(biāo)移動(dòng)軌跡疊加圖?？梢郧逦吹焦鈽?biāo)的移動(dòng)是一種近似直線的移動(dòng)過程，且軌跡平滑。其中受試S1由于之前有著豐富的控制經(jīng)驗(yàn)，在此次的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，光標(biāo)的移動(dòng)軌跡最接近最優(yōu)路徑（圖4，左一）。另外受試S2也有著豐富的控制經(jīng)驗(yàn)，但是控制效果相對(duì)于受試S1差一點(diǎn)，通過溝通得知，他在控制的過程中喜歡交替的想象左右手，而受試S1大部分時(shí)候是同時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整左右手控制情況。另外在我們的控制策略中，由于沒有直接后退的功能，當(dāng)受試錯(cuò)過目標(biāo)后，需要持續(xù)想象左右手中的一個(gè)，完成光標(biāo)調(diào)換方向的功能。容易引起如圖4中軌跡繞圈的現(xiàn)象。這一點(diǎn)也是我們后期需要完善解決的工作。

圖4 4名受試的光標(biāo)軌跡疊加圖Fig.4 The cursor trajectories in the five-fixed target experiment

表1 固定五目標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Ratio=實(shí)際路徑平均長(zhǎng)度/最優(yōu)路徑比值Tab.1 Results of the Five-Fixed target experiments:Ratio=the mean cursor movement trajectory/the shortest trajectory

4 結(jié) 論

文中提出了一種新的基于兩類MI的二維控制策略，從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果上，可以得出如下結(jié)論，由于該控制策略只用兩類MI，受試的控制難度降低，另外解決了光標(biāo)移動(dòng)軌跡的平滑和移動(dòng)位置的任意性的問題。本文工作對(duì)于未來二維控制的研究會(huì)有重要的參考意義。

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