航天噪聲環(huán)境對腦機接口的影響研究

張 朕，焦學(xué)軍，楊涵鈞，徐鳳剛，姜 勁，曹 勇，潘津津

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國家重點實驗室，北京100094）

航天噪聲環(huán)境對腦機接口的影響研究

張 朕，焦學(xué)軍?，楊涵鈞，徐鳳剛，姜 勁，曹 勇，潘津津

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國家重點實驗室，北京100094）

針對目前研究較薄弱的腦機接口在艙內(nèi)噪聲環(huán)境下的適應(yīng)性問題，通過調(diào)整天宮一號艙內(nèi)噪聲錄音至60 dB以完全模擬太空艙內(nèi)環(huán)境噪聲，探究了P300、SSVEP和運動想象三種腦機接口在模擬天宮一號艙內(nèi)噪聲環(huán)境下分類正確率和特征的變化。結(jié)果顯示：模擬天宮一號噪聲環(huán)境與安靜環(huán)境（20～40 dB）相比，P300靶刺激幅值發(fā)生了較顯著提高，但是分類正確率無顯著性改變；SSVEP的各頻率信噪比和分類正確率無顯著性改變；運動想象正確率下降且顯著，但仍在適用范圍。表明腦機接口在載人航天噪聲環(huán)境下具有較強適用性。

腦機接口；載人航天；噪聲；P300；SSVEP；運動想象

1 引言

腦機接口（Brain?Computer Interface，BCI）［1］能夠?qū)⒛X信號作為外部設(shè)備的控制命令，增加人機間信息交換與控制通道，還能夠降低因人實際動作引起的體力負荷，能夠應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)，機器控制，疲勞監(jiān)測等方面。在載人航天領(lǐng)域，航天員的體力負荷受到了太空環(huán)境的多重影響，如失重環(huán)境引起的骨丟失和肌肉萎縮［2］、低壓缺氧環(huán)境引起的疲勞困乏感甚至惡心嘔吐［3］、太空壓力環(huán)境變化引起的減壓?。?］和艙外航天服給航天員帶來的行動不便［4?6］，而且隨著我國載人航天事業(yè)的發(fā)展，航天員在軌作業(yè)時間逐步增長，航天員更容易受到體力疲勞的影響。因此，將腦機接口應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域?qū)档秃教靻T的體力負荷、增強空間作業(yè)效率和增強控制指令集具有潛在價值。

噪聲是艙內(nèi)極其重要的環(huán)境因素，如艙內(nèi)風(fēng)機、風(fēng)閥機構(gòu)、氣動噪聲、電子設(shè)備等都會產(chǎn)生噪聲，且難以避免，如天宮一號艙內(nèi)雖然進行了一系列噪聲抑制，但仍存在60 dB左右的噪聲［7］。而噪聲會影響航天員工作效率和引起航天員疲勞。因此，腦機接口技術(shù)應(yīng)用于空間環(huán)境需要探究噪聲對腦機接口的影響。目前腦機接口技術(shù)常規(guī)實驗常在安靜環(huán)境下進行，很少在噪聲環(huán)境下進行探究，即關(guān)于腦機接口對實際應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性的探究存在不足，僅有兩篇論文討論了噪聲環(huán)境下腦機接口適應(yīng)性問題：Falk發(fā)現(xiàn)基于前額近紅外信號音樂想象腦機接口在持續(xù)背景噪聲和驚嚇性噪聲下分類正確率有所下降［8］；Nam通過五名被試實驗發(fā)現(xiàn)基于腦電P300信號腦機接口在噪聲環(huán)境（70～120 dB）下正確率與信息傳遞速率降低，但是噪聲對其影響不具有顯著性［9］。為探究多種基于腦電的腦機接口范式在空間艙內(nèi)噪聲環(huán)境下的適用性，并增強統(tǒng)計學(xué)意義，本課題招募20名被試對P300、SSVEP誘發(fā)式腦機接口和運動想象主動式腦機接口三種常規(guī)腦機接口范式進行了噪聲環(huán)境實驗，噪聲來源于天宮一號艙內(nèi)噪聲錄音，音量調(diào)整至60 dB左右以完全模擬艙內(nèi)噪聲環(huán)境。本文通過比較噪聲環(huán)境下三種腦機接口識別正確率、特征的變化，探究艙內(nèi)噪聲環(huán)境對腦機接口的影響。

2 方法

2.1受試者

研究共招募了20名受試者，均為中國航天員訓(xùn)練研究中心研究生和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生，均為男性，平均年齡32，標準差9.7。被試之前未進行過腦機接口實驗，無精神疾病和運動障礙。

2.2實驗范式

對于每種腦機接口范式，每組實驗包括：

P300：基于經(jīng)典的Oddball范式，采用6×6行列拼寫器，閃爍間隔為133 ms，每個字符注視16 s，休息2 s，共20個字符。

SSVEP：4個正方形周期性閃爍，閃爍頻率分別為7 Hz、9 Hz、13 Hz、15 Hz。每個目標注視時間為5 s，休息2 s，共48個目標試次。

運動想象：被試根據(jù)提示想象左手或右手運動每次想象5 s，休息5 s，共32個試次。

每種范式都包括四組實驗，其中前兩組為對照組，噪聲控制在20～40 dB內(nèi)。最后兩組播放天宮一號艙內(nèi)噪音錄音，調(diào)整至60 db，采用多個音箱進行噪聲添加，實際噪聲等級采用杭州愛華儀器公司的AWA6270＋型產(chǎn)品測定，測定要求被試四周聲音分貝皆為60 dB。每名被試在進行正式實驗前，需進行兩次無噪聲干擾環(huán)境訓(xùn)練，要求兩次訓(xùn)練后三種腦機接口范式正確率無明顯下降，排除學(xué)習(xí)效應(yīng)。三種腦機接口界面如圖1所示。

2.3數(shù)據(jù)采集

采集設(shè)備采用美國BIOPAC公司B?ALERT腦電數(shù)據(jù)采集器，采集腦電通道為10～20系統(tǒng)的Fz、Cz、C3、C4、P3、P4、Pz、POz、Oz共計9個通道。通道阻值在20 kΩ以下，采樣頻率256 Hz。腦電通道如圖2所示。

2.4數(shù)據(jù)處理

P300：截止頻率為40 Hz的低通濾波去除工頻干擾，帶通濾波頻率1～15 Hz，降采樣至25 Hz，采用LDA分類器分類。特征提取包括靶刺激幅值、Fisher系數(shù)和靶刺激潛伏期。

SSVEP：考慮二倍頻率大小，設(shè)計5～68 Hz帶通濾波器，50 Hz陷波濾波器去除工頻干擾，快速傅里葉變換算法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）提取頻域特征，采用典型相關(guān)分析（Canonical Cor?relation Analysis，CCA）分類各頻率刺激。提取特征為各頻率刺激下腦電信號對應(yīng)于該頻率響應(yīng)功率的信噪比。

運動想象：8～30 Hz的寬頻帶濾波，抑制低頻和工頻噪聲，通過共空間模式（CSP）提取特征，提取特征后采用線性核的支持向量機作為特征器進行二分類。

對于提取的特征和分類正確率，采用配對t檢驗比較噪聲和非噪聲環(huán)境下的統(tǒng)計學(xué)差異。

3 結(jié)果

3.1P300

對于P300實驗，靶刺激指被試注視的字符點亮?xí)r的腦電信號，非靶刺激指被試沒有注視的字符點亮?xí)r的腦電信號，靶刺激幅值為P300信號幅值，F(xiàn)isher系數(shù)表征兩種腦電信號的可分性，結(jié)果如圖3所示。

噪聲與安靜環(huán)境下P300特征與準確性配對t檢驗p值如表1所示。

表1 噪聲對P300影響Table 1 Influence of noise on P300

結(jié)果表明，在噪聲環(huán)境下，P300范式的靶刺激幅值、Fisher系數(shù)、靶刺激潛伏期有上升趨勢，尤其靶刺激幅值上升程度較大，且較顯著（p＝0.02＜0.05）。但是噪聲對運動想象正確率無顯著性影響。要識別出當前所注視的字母，需要滿足行的靶刺激／非靶刺激和列的靶刺激／非靶刺激同時識別正確。正確率對應(yīng)的閃爍刺激共10輪，包括120次閃爍（其中20次靶刺激標簽為1；100次非靶刺激，標簽為0）的字符識別正確率。而靶刺激幅值來源于20次靶刺激信號的疊加，非靶刺激來源于100次非靶刺激的疊加。因此，對于疊加的靶刺激幅值不能反應(yīng)每一次靶刺激幅值的提高，而是反映了靶刺激均值的提高，其與字符識別正確率之間沒有絕對的正比關(guān)系。對此，進一步分析單個被試每一輪靶刺激在噪聲和非噪聲環(huán)境下的幅值變化，未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。

3.2SSVEP

計算所有被試在不同頻率刺激下枕區(qū)POz導(dǎo)聯(lián)的平均腦電信號信噪比均值，四種頻率刺激識別的正確率和總正確率，結(jié)果如圖4所示。信噪比能夠表征該頻率刺激下相應(yīng)頻率或腦電功率譜頻率處響應(yīng)大小。

噪聲與安靜環(huán)境下SSVEP各頻率下信噪比和準確性配對t檢驗p值如表2所示。

表2 噪聲對SSVEP影響Table 2 Influence of noise on SSVEP

從圖2可以看出在噪聲環(huán)境下，各個頻率的信噪比和正確率相比于安靜條件下無規(guī)律性變化，且信噪比大小與正確率大小無對應(yīng)關(guān)系。進一步從表2所示配對檢驗中看出，噪聲干擾對SS?VEP各頻率下信噪比和分類正確率無顯著影響，因此可認為天宮一號艙內(nèi)噪聲環(huán)境對SSVEP無影響。

3.3運動想象

噪聲對 MI正確率影響見圖5，p＝0.01＜0.05，影響較顯著，且分類正確率下降明顯，即在噪聲干擾下，運動想象正確率發(fā)生了明顯下降。

4 討論

在模擬天宮一號艙內(nèi)噪聲環(huán)境下，P300靶刺激幅值發(fā)生了較顯著提高，結(jié)果與Nam［9］（70～120 dB）研究結(jié)果一致，雖然模擬噪聲提高了靶刺激幅值，但對于識別正確率的提高影響不大，可能的原因是靶刺激的提高幅值不足以使分類正確率產(chǎn)生顯著增長。對于噪聲環(huán)境下靶刺激幅值增高，Nam認為在噪聲環(huán)境下使人更加專注。P300范式下，被試需要將注意力集中于目標字符，因此注意程度與正確率是相關(guān)的。對于這一點要指出的是，其前提是噪聲具有一致性，不會產(chǎn)生突變而使人分心或包含情緒效應(yīng)（如驚嚇、恐怖感）的噪音［10?11］，否則會對人情緒狀態(tài)等產(chǎn)生影響，最終影響腦機接口的實際應(yīng)用，而空間艙內(nèi)噪音主要包括風(fēng)機、風(fēng)閥機構(gòu)、氣動噪聲、電子設(shè)備和大型控制力矩陀螺等，噪聲較穩(wěn)定，頻帶范圍較寬，因此人對艙內(nèi)噪聲適應(yīng)性較強。噪聲引起了運動想象分類正確率的顯著下降，分析可能原因為運動想象為主動式腦機接口，而前兩種為被動式腦機接口，主動式腦機接口更容易受到外界干擾從而引起正確率下降。

總之，噪聲對基于腦電腦機接口影響不大，腦機接口仍處于可用識別正確率范圍，而有研究發(fā)現(xiàn)噪聲對基于近紅外腦機接口影響比較大［8，10］，可以驗證基于腦電腦機接口的抗噪聲能力強的優(yōu)點?？臻g密封艙內(nèi)噪音水平為55～62 dB［7］，本課題設(shè)置天宮一號噪聲錄音至60 dB充分模擬空間艙內(nèi)噪聲環(huán)境，可以驗證腦機接口在空間環(huán)境下的適用性。但本課題噪聲為短時噪聲，而在空間中航天員要長期在噪聲環(huán)境下工作與生活，已有研究證實噪聲導(dǎo)致的工作績效下降、注意力下降、加速疲勞［11?12］，因此下一步還需要考慮在長時間噪聲影響下產(chǎn)生的煩擾、疲勞等狀態(tài)對腦機接口性能的影響，并進行在軌驗證實驗。本文研究針對航天噪聲環(huán)境音量調(diào)整至60 dB，下一步可繼續(xù)探究不同噪音音量和頻率對腦的影響。同時，對于噪聲所引起的EEG腦機接口績效改變，可以考慮融合多生理參數(shù)方法增強其魯棒性，增強腦機接口適應(yīng)范圍［8］，以滿足復(fù)雜環(huán)境對復(fù)腦機接口的需求。

5 結(jié)論

本文采用P300拼寫器、SSVEP、運動想象三種常規(guī)腦機接口范式，探究其在模擬控間艙內(nèi)噪聲環(huán)境下（60 dB）腦電特征與分類正確率的變化。結(jié)果證明：腦機接口短時間應(yīng)用于空間環(huán)境的適用性，對提高航天員空間作業(yè)能力、降低風(fēng)險性具有實際意義。下一步將在此基礎(chǔ)上探究長時間噪聲環(huán)境對腦機接口性能的影響，進一步深入研究噪聲環(huán)境對大腦認知活動的影響。

致謝：感謝提供天宮一號噪聲錄音的高慧老師。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Influence of Cabin Noise on Brain?Computer Interface in Space

ZHANG Zhen，JIAO Xuejun?，YANG Hanjun，XU Fenggang，JIANG Jin，CAO Yong，PAN Jinjin

（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and training center，Beijing 100094，China）

BCI（Brain?Computer Interface）can control remote machines through brain signal which is of great significance for the human spaceflight.The study of BCI is usually conducted in silent en?vironment，but the noise in space environment（60 dB）is almost in?avoidable.Since there is few study of BCI in noise environment，the feasibility of BCI in the noise environment of the space cabin was explored in this paper.The noise recording was used in the cabin of Tiangong?1 to simulated the noise environment in the space cabin and three kinds of BCIs：P300，SSVEP and MI（Motor Image?ry）were studied.The results showed that：for P300?BCI，the target amplitude increased significant?ly but the classification accuracy was not affected by noise；for SSVEP?BCI，the SNR and classifica?tion accuracy were not affected by noise；For MI，the classification accuracy decreased significantly but was still in the normal range.Thus，the feasibility of these three kinds of BCI in noise environ?ment of manned spaceflight was confirmed.

brain?computer interface（BCI）；manned spaceflight；noise；P300；SSVEP；motor im?agery

R318

：A

：1674?5825（2017）02?0274?05

2016?08?10；

2017?03?07

國家自然科學(xué)基金（81671861）；中國航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項目（YJGF151204）；中國航天員科研訓(xùn)練中心人因國家重點實驗室自主課題（SYFD150051805）

張朕，男，碩士，研究實習(xí)員，研究方向為腦機接口。E?mail：47148593＠qq.com

?通訊作者：焦學(xué)軍，男，博士，副研究員，研究方向為航天工效學(xué)。E?mail：jxjisme＠sina.com