不同編碼分組調(diào)制的VEP腦機(jī)接口研究

黃引 魏慶國 李茂全 盧宗武

摘 要： 在現(xiàn)有的各種腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)范例中，基于c?VEP的腦機(jī)接口取得了最高的信息傳輸率，但這種腦機(jī)接口系統(tǒng)必須在刺激目標(biāo)數(shù)與檢測精度和檢測速度之間進(jìn)行折衷。要增加刺激目標(biāo)數(shù)并保證識別率高，必須增加碼長，然而，增加碼長會導(dǎo)致識別一個目標(biāo)所需的時間增加，降低信息傳輸率。針對這個問題，提出了使用不同編碼分組調(diào)制刺激目標(biāo)的方法?；谠摲椒?，采用Golay 碼和近完美碼各調(diào)制16個刺激目標(biāo)，目標(biāo)識別的方法是先獲取兩組目標(biāo)的參考模板，分別對兩個模板做移位得到所有目標(biāo)的模板，再運(yùn)用模板匹配法對目標(biāo)進(jìn)行識別。7位受試者在一個刺激周期的平均分類準(zhǔn)確率高達(dá)92.34%，研究結(jié)果表明該方法增加了刺激目標(biāo)數(shù)，同時提高了識別率，縮短了檢測時間。

關(guān)鍵詞： 腦機(jī)接口； 調(diào)制； Golay碼； 模板匹配法

中圖分類號： TN911.22?34； TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0061?05

Abstract： In current various implementation paradigms of brain?computer interface （BCI）， the c?VEP based BCI achieved the highest information transfer rate， but this BCI system must have a compromise among the stimulation target quantity， detection accuracy and detection speed. To increase the stimulation target quantity and ensure the high recognition rate， the code length must be increased， but it will lead to time increasing to recognize a target， and information transfer rate reducing. To solve this problem， a stimulation target method applied with different coding grouping modulations is proposed. Based on this method， the Golay code and nearly perfect code are used to modulate 16 stimulation targets respectively. The target identification method is used to obtain the reference templates of two target groups. The two templates are shifted to obtain all target templates， and then the template matching method is used to recognize the target. The average classification accuracy of a stimulation period for 7 subjects can reach up to 92.34%. The research results show that the method can increase the stimulation target quantity， improve the recognition rate， and shorten the detection time.

Keywords： BCI； modulation； Golay code； template matching method

0 引 言

腦機(jī)接口（Brain?Computer Interface，BCI）監(jiān)測用戶的腦活動，解讀用戶的意圖，并將用戶的意圖轉(zhuǎn)換為外部命令[1]。作為一種新的、非肌肉的通信通道， BCI能夠使人直接通過大腦來表達(dá)思想或操作設(shè)備，而不需要借助語言或肢體動作。在過去幾十年中，基于EEG的BCI已經(jīng)吸引了腦科學(xué)、神經(jīng)工程和臨床康復(fù)領(lǐng)域的研究人員的極大關(guān)注。盡管BCI系統(tǒng)的性能得到了很大的改進(jìn)，但它們還不能支持廣泛的應(yīng)用。在各種BCI實(shí)現(xiàn)模式中，基于視覺誘發(fā)電位（Visual Evoked Potentials，VEP）的BCI，具有系統(tǒng)配置簡單、幾乎不需要訓(xùn)練以及低的用戶變化率等優(yōu)點(diǎn)，因而在BCI研究中變得更加流行。根據(jù)刺激信號的調(diào)制方法，基于VEP的BCI可分為基于時間調(diào)制的VEP（t?VEP）BCI、基于頻率調(diào)制的VEP（f?VEP）BCI和基于偽隨機(jī)碼調(diào)制的VEP（c?VEP）BCI三種類型[2]。基于c?VEP的BCI取得了最高的通信速度，是最有可能率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的BCI。

基于c?VEP 的BCI早在1984年就由Sutter提出，并在8年后由一個ALS病人進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明這種BCI系統(tǒng)每分鐘能寫10～20個字[3]。在長達(dá)20多年的時間里，沒有任何有關(guān)這種BCI的研究報(bào)告。直到最近，才由Bin等人證明了基于編碼調(diào)制的VEP BCI的性能超過其他視覺刺激類型的BCI。在Bin等人的研究中，當(dāng)刺激目標(biāo)數(shù)為32時，平均的ITR高達(dá)108 b/min。但這種BCI系統(tǒng)必須在刺激目標(biāo)數(shù)與檢測精度和檢測速度之間進(jìn)行折衷。要提高目標(biāo)檢測識別率，應(yīng)采用較長的調(diào)制編碼，這樣相鄰目標(biāo)之間具有足夠的延時，注視目標(biāo)的響應(yīng)信號與其模板具有較大的相似性，而與其他模板具有較大的差異性。然而，調(diào)制編碼太長，嚴(yán)重影響檢測速度，因?yàn)樵黾哟a長就增加了一個刺激周期的長度，而一次檢測最少需要1～2個刺激周期。

為了確保高的檢測精度和檢測速度，同時提高BCI系統(tǒng)的刺激目標(biāo)數(shù)，本文提出了一種新的目標(biāo)調(diào)制方法，即不同編碼分組調(diào)制，研究使用Golay碼和幾乎完美碼分別調(diào)制兩組目標(biāo)，每組包含16個目標(biāo)。在這種BCI系統(tǒng)中，碼長不變，但是刺激目標(biāo)增加了一倍，同時又保證了高的目標(biāo)識別率和目標(biāo)檢測速度。

1 c?VEP BCI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

c?VEP BCI的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括LCD刺激器、腦電放大器、空域?yàn)V波和模板匹配，如圖1所示。視覺刺激器在VC++ 6.0的環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)并在計(jì)算機(jī)LCD顯示屏上顯示，計(jì)算機(jī)通過并口發(fā)送同步信號給腦電放大器實(shí)現(xiàn)腦電數(shù)據(jù)和刺激同步，視覺刺激器用來誘發(fā)VEP。腦電放大器采集并記錄頭皮腦電信號?？沼?yàn)V波將多通道EEG信號融合為單導(dǎo)聯(lián)信號。模板匹配為目標(biāo)識別算法，實(shí)現(xiàn)方法是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)片段與各目標(biāo)的模板做相關(guān)運(yùn)算，與之相關(guān)系數(shù)最大的模板所對應(yīng)的目標(biāo)即為識別目標(biāo)。

2 刺激器的設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)制碼的選擇

為了表達(dá)不同的意圖，需要用一定的方法對EEG信號進(jìn)行調(diào)制，以便嵌入在EEG信號中的意圖能被解調(diào)成為原始的信息。同時，為了避免相互干擾，對不同意圖調(diào)制的EEG信號相互之間應(yīng)該是正交或接近正交的，這要求調(diào)制編碼應(yīng)具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)，而Golay互補(bǔ)序列和近完美序列具備這種特性。

依據(jù)視覺中心放大原理，當(dāng)受試者注意到某個目標(biāo)時，所注視的目標(biāo)對誘發(fā)電位的產(chǎn)生起主要作用。但是它周圍的其他目標(biāo)也會對誘發(fā)電位產(chǎn)生一定的貢獻(xiàn)[6]。因此，每組16個刺激目標(biāo)的周圍增加了20個額外的非刺激目標(biāo)，這樣中間刺激目標(biāo)與邊緣刺激目標(biāo)所產(chǎn)生的視覺電位幾乎一致。外圍刺激模塊的安排是按照等鄰域原理[7]。圖4（b）所示為各個目標(biāo)的刺激序列，其中序列中的“1”代表白色幀，“0”代表黑色幀。每個刺激序列的長度為64位，即64幀，所以一個刺激周期為[6460=]1.066 s，且刺激不斷重復(fù)。為了保證刺激器與顯示器的刷新率同步，刺激器采用DirectX技術(shù)。

3 目標(biāo)識別

3.1 空域?yàn)V波器優(yōu)化算法

在模板匹配法中，相關(guān)運(yùn)算只能用于一維信號。然而通常情況下需要在頭皮上覆蓋更多的電極來獲取更全面的腦電信息，從而提高腦機(jī)接口的性能。為了采用多電極導(dǎo)聯(lián)信號，可以運(yùn)用空域?yàn)V波器把多導(dǎo)聯(lián)信號線性融合為單通道數(shù)據(jù)，通過多個導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)的線性組合來提高腦電信號的信噪比。對于給定從多個電極導(dǎo)聯(lián)上記錄到的腦電數(shù)據(jù)[X，]源信號[x=wTX，][w]是根據(jù)優(yōu)化算法獲得的，通常優(yōu)化思路有兩種：一種是最大化差異，另一種是最大化相似度。本文研究了兩種求解[w]的方法：最大對比融合（Maximum Contrast Combination，MCC）和典型相關(guān)分析（Canonical Correlation Analysis，CCA）。

3.1.1 MCC

3.2 模板匹配

在c?VEP的腦機(jī)接口中一般采用模板匹配法進(jìn)行目標(biāo)識別。在每位受試者實(shí)驗(yàn)之前，都必須在訓(xùn)練階段獲取實(shí)驗(yàn)?zāi)０?。由于各目?biāo)之間的誘發(fā)電位都是時間位移的關(guān)系，所以只需要在訓(xùn)練階段對某一個特定刺激目標(biāo)的誘發(fā)電位進(jìn)行采集，然后通過時間移位得到其他的刺激目標(biāo)模板。模板匹配法的流程如下：

（1） 在訓(xùn)練階段受試者需要注視某一個特定的刺激目標(biāo)，訓(xùn)練階段所持續(xù)的時間為3～4 min，這樣可以獲得約為200個周期的數(shù)據(jù)，在此間期，受試者可以按下空格鍵開始或者暫停，避免受試者的精神疲勞。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

有7名身體健康的受試者參與了本實(shí)驗(yàn)，年齡在20～28歲之間，視力正?；蜉p度近視，熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)在安靜、無電磁屏蔽的室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)者眼睛距離刺激目標(biāo)正前方60 cm左右。實(shí)驗(yàn)分為訓(xùn)練階段和實(shí)驗(yàn)階段：在訓(xùn)練階段，受試者依次注視兩組目標(biāo)的參考目標(biāo)，每個參考目標(biāo)持續(xù)的時間為3～4 min，該數(shù)據(jù)用來制作模板和獲取空域?yàn)V波器；在實(shí)驗(yàn)階段，受試者依次注視32個刺激目標(biāo)，一個目標(biāo)持續(xù)20個刺激周期，一個周期是1.066 s，這樣就獲得了20次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

腦電放大器為清華大學(xué)自主研制的Mipower16，采樣率為1 000 Hz。腦電信號采集使用32導(dǎo)10～20電極帽，實(shí)驗(yàn)過程中采用了7個電極，分別是O1，O2，Pz，P3，P4，T5，T6。參考電極和地電極分別位于FPz、耳垂。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7位受試者的離線實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中acc1表示當(dāng)受試者注視Golay AB碼調(diào)制目標(biāo)時，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Golay AB碼調(diào)制的16個目標(biāo)的模板匹配的結(jié)果，acc2指在近完美碼調(diào)制下，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和近完美碼調(diào)制的16個目標(biāo)的模板匹配的結(jié)果，accTwo是指實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與所有目標(biāo)模板匹配的結(jié)果。從表中可以發(fā)現(xiàn)，除了受試者xfa的acc1用CCA和MCC兩種方法濾波的結(jié)果有點(diǎn)差別外，CCA和MCC的準(zhǔn)確率完全一樣，也就是說這兩種方法可能在該問題中是等價的，MCC的原理是使源信號和噪聲差異最大化，即最大化信噪比，CCA的原理是使觀測信號與源信號相似度最大化。所有受試者的accTwo介于acc1和acc2之間，7位受試者acc1，acc2，accTwo的均值在CCA方法下分別為93.20%，92.74%，92.34%，accTwo與acc1或acc2相差甚微，證明了用不同編碼分組調(diào)制的可行性。除此之外，除了個別受試者在Golay AB碼或近完美碼調(diào)制下的結(jié)果低于90%，大部分受試者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果超過90%，且在兩種碼調(diào)制下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很相近，因此這兩種碼誘發(fā)的c?VEP信號都很強(qiáng)。

5 討 論

為了驗(yàn)證刺激目標(biāo)的排列方式是否對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，本文設(shè)計(jì)了2[×]8[×]2矩陣的上下排列方式，表1中7位受試者中的4位受試者參與了該實(shí)驗(yàn)，除了目標(biāo)排列方式不一樣之外，實(shí)驗(yàn)過程、調(diào)制碼等都與上述實(shí)驗(yàn)一致，獲取空域?yàn)V波器的方法基于CCA。4位受試者在兩種目標(biāo)排列方式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。