基于局部線性嵌入算法的SSVEP腦機(jī)接口系統(tǒng)研究

劉福偉 童基均 李琳

摘 要：提出一個多頻率刺激源誘發(fā)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）腦—機(jī)接口系統(tǒng)，針對時域腦電信號特征維數(shù)過多等問題，采用一種局部線性嵌入算法（LLE）對經(jīng)過預(yù)處理的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行降維。實驗結(jié)果表明，隨著分析時間窗的增大，經(jīng)典功率譜密度分析（PSDA）與典型相關(guān)分析（CCA）等方法相比，基于LLE的非線性數(shù)據(jù)降維方法具有一定優(yōu)勢。當(dāng)時間窗為1.65s時，其分類準(zhǔn)確率達(dá)92.92%，信息傳輸率達(dá)59.62 bits/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它方法。

關(guān)鍵詞：腦—機(jī)接口;穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位;局部線性嵌入算法

DOI：10. 11907/rjdk. 191831 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP303文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0014-05

0 引言

腦機(jī)接口被稱為大腦端口或者腦機(jī)融合感知，是動物大腦與外部設(shè)備建立的直接連接通路[1]。腦機(jī)接口技術(shù)（Brain-Computer Interfaces，BCI）是一種涉及神經(jīng)科學(xué)？、信號檢測、信號處理？、模式識別等多學(xué)科的交叉技術(shù)，是一種新型的人機(jī)交互技術(shù)，它通過不間斷地監(jiān)控大腦活動中與人意圖相關(guān)的腦部信息實現(xiàn)與外部交流[2-3]，實現(xiàn)了人類思維對外部設(shè)備的直接控制。目前，可用于BCI的人腦信號主要有：腦磁圖（Magnetoencephalogram，MEG）、腦電圖（Electroencephalography，EEG）和功能性核磁共振圖像（Functional Magnetic Resonance Imaging，F(xiàn)MRI）[4]。EEG技術(shù)由于安全、成本較低等優(yōu)點，其在BCI的研究中應(yīng)用最為廣泛[5]。

誘發(fā)電位也稱誘發(fā)反應(yīng)，是指給神經(jīng)系統(tǒng)某一部位特定刺激，相應(yīng)部位產(chǎn)生的生物電反應(yīng)[6]。目前，誘發(fā)電位方式主要分為視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位和機(jī)體覺誘發(fā)電位[7-8]。而穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（Steady State Visual Evoked Potential，SSVEP）是指以大于6HZ頻率的閃光刺激眼睛視網(wǎng)膜時，大腦信號調(diào)制同時產(chǎn)生的節(jié)律性周期，其表現(xiàn)在EEG上是在對應(yīng)刺激頻率或其諧波上出現(xiàn)譜峰[9-10]。換言之，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（Steady State Visual Evoked Potential，SSVEP）是視覺部分對于高頻率刺激的物理反應(yīng)，其具有明顯的特征信號、節(jié)律同化和周期性現(xiàn)象，而且信號噪聲比其它方式大[11-12]。由于SSVEP具有更高的信息傳輸率、系統(tǒng)和實驗設(shè)計更加簡便以及需要訓(xùn)練的次數(shù)少等優(yōu)點[13]，因此許多腦電研究者將SSVEP應(yīng)用于腦機(jī)接口系統(tǒng)中。

功率譜密度分析（Power Spectral-Density Analysis， PSDA）和典型相關(guān)分析法（Canonical Correlation Analysis，CCA）是目前SSVEP腦機(jī)接口系統(tǒng)中傳統(tǒng)頻率識別方法[14-15]。為了分析功率譜信息，PSDA通過傅里葉變換將原始信號從時域變換到頻域[16]。CCA是研究兩組變量相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計方法，這種方法相較于快速傅里葉變換的譜估方法無論時間長短，其都具有更強的抗噪性[17]。但是CCA不能完全構(gòu)建出真實的電信號成分，導(dǎo)致提取效果不太理想，針對此問題，研究者大都熱衷于研究改進(jìn)的CCA算法[18]。1996年，Tibshirani等[19]提出一種嘗試尋找稀疏解的最小絕對收縮和選擇算子（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator，LASSO），其被首次運用于解決SSVEP的識別問題。這種算法比原始CCA具有更高的信息傳輸率，縮短了識別所需時間，從而提高了基于SSVEP的腦機(jī)接口系統(tǒng)實時性。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)采集

實驗中使用4個LED燈作為刺激源誘發(fā)SSVEP系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)采集過程中的硬件擺放位置如圖1所示，左上、右上、左下、右下分別放置一個淺綠色燈光的LED燈作為刺激源，4個LED燈對應(yīng)的中頻段分別是13Hz、15Hz、17Hz、19Hz。

實驗開始時，顯示器屏幕左下方深藍(lán)色小方塊上的白色箭頭提示將要移動的方向，之后屏幕上對應(yīng)方向的綠色小方塊變紫色，并發(fā)出蜂鳴聲，顯示器外側(cè)的LED燈在兩秒后開始閃爍，持續(xù)時長為4s。

本實驗共有9名受試者，其中女性2位，男性7位。受試者視力均正常，年齡在22.4+3.1，受試者沒有精神方面的疾病且沒有家族遺傳史。在實驗過程中受試者不能有眨眼睛、移動、點頭等動作，要專心致志地注視LED燈，若在此過程中受試者有任何不適則立即停止實驗。

本實驗信號的采集設(shè)備為GES400，實驗環(huán)境：安靜、舒適;實驗地點：腦電信號研究實驗室。32個電極按照國際10-20標(biāo)準(zhǔn)放置，如圖2所示。頭皮與導(dǎo)聯(lián)電極之間的偏置電壓設(shè)置為50V以下，采樣頻率為2 048Hz。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

因?qū)嶒灜h(huán)境問題在實驗過程中不可避免產(chǎn)生一些誤差噪聲而影響實驗結(jié)果。為解決此問題，需對原始腦電信號進(jìn)行預(yù)處理。

高頻腦電信號在傳播過程中會受到顱骨抑制，造成SSVEP的能量只處于前期，因此本實驗的SSVEP能量只能從前3次的諧波中獲取，如圖3（a）所示。為了去除后期無用的頻率段，本實驗首先使用一個4階帶通為12～60 Hz的巴特沃斯濾波器濾除噪聲和直流漂移等頻段，然后使用公共平均參考法做電極參考，進(jìn)而除去腦部公共活動成分。公共參考法如式（1）。

1.3 空間濾波

數(shù)據(jù)預(yù)處理可有效解決系統(tǒng)誤差對實驗結(jié)果造成的影響，但是獲取的腦電信號較為微弱、能量不集中[20]，其對噪音比的增強受到限制。因此，對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)還需通過空間濾波增強噪音。關(guān)于空間濾波的研究較多，但這些方法應(yīng)用在多頻率的SSVEP濾波上存在很多不足。例如PCA是建立在完全無關(guān)基礎(chǔ)上選擇最大值作為空間濾波器，但SSVEP信號與其它腦電信號具有一定關(guān)聯(lián);共空間模式的原理是利用矩陣對角化，找到最優(yōu)的空間濾波器進(jìn)行投影，使兩類信號差異最大化，從而增強信噪比，但是共空間模式需事先構(gòu)造刺激和非刺激腦電片段，過程較為繁瑣;ICA方法需事先知道頻率才能選擇濾波器。結(jié)合各種因素和情況，使用電極選擇和簡單加權(quán)融合方法雖沒有達(dá)到預(yù)期最佳效果，但適用性非常廣，沒有必要根據(jù)個體差異分別選擇空間濾波器。最常用的空間融合方法是拉普拉斯融合，其原理是使用式（3）的加權(quán)系數(shù)計算中間電極信號與周圍同距電極信號的差，去除局部共同噪聲達(dá)到增強SSVEP信噪比的目的。

1.4 局部線性嵌入算法

2000年，Roweis&Sa[21]提出了一種局部線性嵌入算法（Locally Linear Embedding，LLE），該算法主要針對非線性信號的優(yōu)化問題，通過線性逼近全局，將高維空間映射到低維空間，通過觀察小區(qū)域里點與點之間的關(guān)系，提取嵌入在高維空間里的低維子空間。

LLE算法是將數(shù)據(jù)集[X={x1，x2，x3，x4，？，xn}，xi∈Rd]映射到數(shù)據(jù)集[Y={y1，y2，y3，y4，？，yn}，yi∈Rm（m

Step1：局部近鄰點選取。對于上文提到的數(shù)據(jù)集[X={x1，x2，x3，x4，？，xn}，xi∈Rd]在高維空間尋找每個樣本點[xi]的[k][（k

將問題轉(zhuǎn)換為求[M]的[m]個最小非零特征值[Y]對應(yīng)的特征向量問題，從小到大對[M]的特征值進(jìn)行排序，一般情況下[M]的最小特征值都接近于零，因此取第2到[m+1]之間的特征值所對應(yīng)的特征向量組成列向量，作為[N？m]（假設(shè)有[N]個數(shù)據(jù)點）的數(shù)據(jù)表達(dá)矩陣[Y]。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理效果

數(shù)據(jù)預(yù)處理效果如圖4所示，t表示時間（單位是s），U表示電壓（單位uv），圖4（a）是處理前的效果，圖4（b）是處理后的效果。圖4（a）的腦電信號由于噪聲的存在其波動幅度較大，頻率較高且分布散亂，沒有規(guī)律。經(jīng)過處理后的圖4（b）噪聲被消除，其信號波動幅度和頻率比較有規(guī)律，為后續(xù)實驗提供了一個標(biāo)準(zhǔn)輸入。

2.2 時間窗長度對分類準(zhǔn)確率的影響

系統(tǒng)正確輸入指令占所有輸入指令的比例稱為分類準(zhǔn)確率，是腦機(jī)接口系統(tǒng)常用的評價指標(biāo)。圖5和表1是不同時間窗下PSDA、CCA和LLE三種方法的平均分類準(zhǔn)確率。初始時間窗長度是0.25s，步長0.1，最大時間窗長度為1.6。結(jié)合圖6和表1可以看出，隨著時間窗長度的增加，3種方法的分類準(zhǔn)確率都相應(yīng)提升。當(dāng)時間窗長度小于0.6s時，基于流形學(xué)習(xí)的非線性數(shù)據(jù)降維方法（LLE）的分類準(zhǔn)確率最高，3種方法的平均分類準(zhǔn)確率差異較大。當(dāng)時間窗長度大于0.6s時，3種方法的平均分類準(zhǔn)確率相差無幾。在最大時間窗下平均分類準(zhǔn)確率最高的是基于流形學(xué)習(xí)的非線性數(shù)據(jù)降維方法（LLE）。

2.3 時間窗長度對信息傳輸率的影響

每分鐘系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘慷x為信息傳輸速率（Information Transfer Rate，ITR），是腦—機(jī)接口中的一個重要評價指標(biāo)。ITR的定義如式（10）和式（11）所示。

其中，[N]是腦機(jī)接口可執(zhí)行的指令總數(shù)，[P]為分類準(zhǔn)確率，[V]為單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令個數(shù)，每個命令被執(zhí)行的概率相同。如圖6所示，ITR表示信息傳輸率，t表示時間窗長度，圖6是3種算法在不同時間窗長度下平均信息傳輸率變化情況。如表2所示，t表示時間窗長度，對應(yīng)值為時間窗長度在增加0.2s情況下的平均信息傳輸率。

由圖5可以看出，隨著時間窗長度的增加，3種算法的分類準(zhǔn)確率呈升高趨勢，圖6中隨著時間窗長度的增加平均信息傳輸率呈下降趨勢。信息傳輸率由時間窗長度和分類準(zhǔn)確率共同決定，但綜合圖5和圖6可以看出，時間窗長度對平均信息傳輸率的影響更大。

綜合分析圖6和表2可知，3種算法平均信息傳輸率隨著時間窗長度的增加都呈現(xiàn)下降趨勢。在時間窗長度小于0.6s時，LLE的平均信息傳輸率最大，CCA的平均信息傳輸率大于PSDA。在最短時間窗下3種算法的平均信息傳輸率差距最大。當(dāng)時間窗長大于0.6s時，3種算法的平均信息傳輸率基本相同，且下降都比較緩慢。

2.4 不同個體間差異

因環(huán)境、情緒不同會導(dǎo)致同一個體的腦電信號變化，這種變化在不同的個體間更加突出。如表3所示，t表示時間窗長度，對應(yīng)值是不同個體在時間窗長度增加0.2s情況下的分類準(zhǔn)確率，在0.25s窗口長度下，S1和S4的分類準(zhǔn)確率都在80%以上，S6、S7、S8、和S9都在70%以下。在時間窗長度為1.05s情況下，所有個體的分類準(zhǔn)確率都達(dá)到了80%以上。在時間窗長度為1.65s時，除S9外，其它個體的分類準(zhǔn)確率甚至達(dá)到了90%以上。

綜合分析可知，隨著時間窗長度的增加，大部分個體分類準(zhǔn)確率都呈上升趨勢，只有少數(shù)個體在某一時間窗長度下會出現(xiàn)下降趨勢。例如，在時間窗長度為1.25s時，S1、S5、S7和S8的分類準(zhǔn)確率比時間窗長度為1.05s情況下的分類準(zhǔn)確率低。標(biāo)準(zhǔn)差隨著時間窗長度的增加不斷縮小。

不同個體同一時間窗長度下的分類準(zhǔn)確率不同，主要是因為：一是不同個體間的心理活動和生理結(jié)構(gòu)不相同;二是每個受試者的參與專注度不同。

3 結(jié)語

隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)研究也越來越多。以往研究中所運用的腦機(jī)接口技術(shù)都有很大缺陷，如一些技術(shù)需要經(jīng)過大量訓(xùn)練，可能因數(shù)據(jù)不足導(dǎo)致訓(xùn)練結(jié)果不理想等。為解決此問題，出現(xiàn)了一些不需要訓(xùn)練的技術(shù)，如本實驗所用的SSVEP。SSVEP具有響應(yīng)強度高、誘發(fā)速度快、不需要訓(xùn)練等優(yōu)點，但也存在腦電信號微弱、隨機(jī)性強等缺點，若直接使用SSVEP信號波形作為腦—機(jī)接口輸入，則無法有效識別視覺刺激頻率。針對此問題，本文使用拉普拉斯融合方法，先對多通道腦電信號運用空間濾波增強信噪比，再用局部線性嵌入算法對空間濾波處理后的信號進(jìn)行降維，將原始空間不可分的腦電數(shù)據(jù)投影到高維空間，使其變得線性可分，經(jīng)過降維后，腦電數(shù)據(jù)特征減小，數(shù)據(jù)復(fù)雜度降低，分類準(zhǔn)確率提升。實驗結(jié)果表明，運用此方法在多頻率識別的SSVEP腦—機(jī)接口系統(tǒng)中是可行的。在短時間窗長度下，LLE的分類準(zhǔn)確率比CCA和PSDA的分類準(zhǔn)確率高。綜合分析可知，隨著時間窗長度的增加，分類準(zhǔn)確率呈上升趨勢，但在時間窗長度達(dá)到某一特定值時，3種方法的分類準(zhǔn)確率基本相同。在短時間窗下LLE的平均信息傳輸率最高，隨著時間窗長度的增加，3種方法的平均信息傳輸率均呈下降趨勢。對于離線的腦機(jī)接口系統(tǒng)，一般只考慮分類準(zhǔn)確率對系統(tǒng)性能的影響，對于平均信息傳輸率一般都會忽略不計。因此，大部分研究者都會通過提高分類準(zhǔn)確率優(yōu)化和改善系統(tǒng)性能。真正做好一個腦機(jī)接口系統(tǒng)需要考慮的因素極其復(fù)雜，如系統(tǒng)高效性、便捷性等，應(yīng)選擇最佳時間窗長度，均衡其對分類準(zhǔn)確率和平均信息傳輸率的影響，提高腦機(jī)接口系統(tǒng)性能。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）