基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口的卒中后語言障礙輔助交流系統(tǒng)的研發(fā)與驗證

王琳琳，李曉陽，楊晨，沈曉梅，馬菲菲，劉心雨，陳小剛，趙性泉，王擁軍，高小榕，冀瑞俊（*第一作者）

卒中是我國居民最主要的致殘性疾病之一[1]。卒中急性期失語癥發(fā)生率為21%～38%[2]，構(gòu)音障礙發(fā)生率為20%～30%[3]。語言功能喪失為患者及其家庭帶來嚴(yán)重影響，傳統(tǒng)語言康復(fù)訓(xùn)練周期長、康復(fù)性滯后，無法滿足患者表達(dá)和溝通的現(xiàn)實需求。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（steady-state visual evoked potential，SSVEP）腦機接口（brain-computer interface，BCI）技術(shù)的快速發(fā)展為探索卒中后語言障礙的解決方法帶來新的曙光[4]。本研究根據(jù)卒中后患者語言交流障礙的臨床特點和實際應(yīng)用需求，設(shè)計了一套基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口技術(shù)的卒中后語言障礙輔助交流系統(tǒng)（steady-state visual evoked potential based brain computer interface communication system，SSVEP-BCI-CS），即卒中語言之星系統(tǒng)。通過18名健康受試者操控卒中語言之星系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率、信息傳輸速率及負(fù)荷等指標(biāo)以評估系統(tǒng)的可行性，同時為該系統(tǒng)后續(xù)在卒中后語言障礙患者中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 系統(tǒng)的研發(fā) 卒中后語言障礙患者常合并肢體癱瘓，本研究擬設(shè)計無需肢體輔助，同時有語音播報及屏幕反饋的交流系統(tǒng)。SSVEP響應(yīng)具有注意的空間選擇性，當(dāng)使用者希望向計算機發(fā)送指令時，只需將注意力集中到某一指令目標(biāo)，腦電信號中則會出現(xiàn)該目標(biāo)所對應(yīng)的SSVEP成分。因此，通過識別刺激目標(biāo)所誘發(fā)的SSVEP成分，就可以解析出用戶意圖，故選用SSVEP-BCI技術(shù)進一步研發(fā)交流系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)的驗證

1.2.1 總體目標(biāo) 對卒中語言之星系統(tǒng)在正常人群中的使用效率、負(fù)荷和安全性等方面進行驗證分析。

1.2.2 驗證人群 健康受試者來源于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院對BCI技術(shù)感興趣的學(xué)生及職工，共納入18名。所有受試者視力或矯正視力在0.8以上，無神經(jīng)功能缺損癥狀，既往無偏頭痛及癲癇發(fā)作病史。18名受試者中除1名受試者外（第11名受試者），均第一次接觸BCI技術(shù)。

1.2.3 任務(wù)設(shè)計 受試者需完成4種類型任務(wù)：指令-單任務(wù)、指令-連續(xù)性任務(wù)、打字-單任務(wù)及古詩任務(wù)。指令-單任務(wù)內(nèi)容為根據(jù)提示隨機輸入46項指令目標(biāo)；指令-連續(xù)性任務(wù)內(nèi)容為在無提示情況下表達(dá)“指令-醫(yī)療相關(guān)需求-胸部不適-返回”“指令-情感表達(dá)需求-我愛你-返回”“指令-基本生活需求-想喝水-返回”“指令-高階生活需求-想曬太陽-返回”四組信息；打字-單任務(wù)內(nèi)容為根據(jù)提示隨機輸入聲母、韻母、英文各40個目標(biāo)；古詩任務(wù)內(nèi)容為在無提示情況下完成一句古詩輸入（10個漢字）。受試者僅需注視屏幕中的目標(biāo)選項即可完成輸入。完成任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)：指令-單任務(wù)根據(jù)提示完成46次輸入，打字-單任務(wù)根據(jù)提示完成聲母、韻母、英文各40次輸入，兩種任務(wù)不論輸出是否正確，只要完成輸入后均可跳轉(zhuǎn)到下一次提示；指令-連續(xù)性任務(wù)及古詩任務(wù)需完成任務(wù)內(nèi)容的正確輸出。

1.2.4 評價指標(biāo) 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)包括傳輸速率、準(zhǔn)確率和識別時長。每次目標(biāo)開始閃爍至結(jié)果反饋為單次試驗，平均試驗時長=總試驗時長/試驗次數(shù)。指令任務(wù)傳輸速率=60/平均試驗時長，古詩任務(wù)傳輸速率=60/平均字符識別時長，打字-單任務(wù)信息傳輸速率（information transfer rate，ITR）計算公式為：

其中，T表示平均試驗時長，Q表示目標(biāo)數(shù)量，P表示識別正確率。準(zhǔn)確率=（正確目標(biāo)數(shù)/總輸入目標(biāo)數(shù)）×100%。指令-單任務(wù)、打字-單任務(wù)及指令-連續(xù)性任務(wù)識別時長為單次試驗時間；古詩任務(wù)識別時長定義為進入打字界面后完整輸出一句話的總時間。

系統(tǒng)使用負(fù)荷評價采用美國國家航空航天局任務(wù)負(fù)荷指數(shù)量表（National Aeronautics and Space Administration-task load index，NASA-TLX），內(nèi)容包括腦力需求、體力需求、時間需求、努力程度、業(yè)績水平及受挫程度六項維度，每項分值為0～100分，其中腦力需求、體力需求、時間需求、努力程度、受挫程度評分越低，業(yè)績水平評分則越高，任務(wù)負(fù)荷亦越低[5]。

系統(tǒng)安全性評價指標(biāo)：受試者是否出現(xiàn)頭暈、頭痛、癲癇發(fā)作等與試驗相關(guān)的不適癥狀。此外，并對男性與女性受試者的性能評價指標(biāo)及使用負(fù)荷評價指標(biāo)進行比較。

1.2.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。符合正態(tài)分布的計量資料以表示，組間比較采用t檢驗；不符合正態(tài)分布的計量資料以M（P25～P75）表示，組間比較采用秩和檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)介紹 卒中語言之星系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。使用者注視屏幕中選項進行選擇，不同選項誘發(fā)的腦電信號通過無線放大器采集并傳輸至系統(tǒng)處理端進行分類，最終分類結(jié)果通過語音播報和屏幕反饋形式反饋。系統(tǒng)軟件編寫基于matlab2018b軟件，顯示呈現(xiàn)部分采用心理學(xué)試驗設(shè)計中的常用工具箱Psychtoolbox編寫。硬件包含一臺計算機、一個60 Hz刷新率的屏幕和NeuSen W8通道無線數(shù)字腦電采集系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)顯示端包含9個不同的菜單頁面（圖2），包含3種適用于不同場景的表達(dá)模式。①緊急呼叫模式：可一鍵呼叫醫(yī)師、護工及家屬，以便患者快速得到幫助，適用于緊急情況。②指令模式：收錄患者實際生活中常用的指令需求，幫助患者快速表達(dá)意圖，包括醫(yī)療相關(guān)需求、情感表達(dá)需求、基本生活需求及高階生活需求等46項需求。③打字模式：包含中英文雙語輸入法，幫助患者充分表達(dá)意圖，中文輸入法采用雙拼策略，以漢語音節(jié)為基礎(chǔ)，利用漢語聲母和韻母的特定組合減少拼寫過程中的選擇次數(shù)，以實現(xiàn)高效的中文輸入；英文部分為26個大寫英文字母。使用者可選擇進入上述三種不同的表達(dá)模式，也可通過“撤銷”鍵取消操作。所有選項均使用聯(lián)合頻率相位方法編碼，刺激頻率為8～15.8 Hz，相位間隔0.5π[6]。

圖2 系統(tǒng)顯示頁面設(shè)計

本系統(tǒng)腦電數(shù)據(jù)采集應(yīng)用博?？礜euSen W8通道無線數(shù)字腦電采集系統(tǒng)。由于SSVEP響應(yīng)主要位于頂枕區(qū)，8個通道布置為PO5、PO3、POz、PO4、PO6、O1、Oz和O2，參考電極位于頭頂部。數(shù)據(jù)采集后通過無線腦電放大器傳輸至系統(tǒng)處理端進行實時處理。其中腦電數(shù)據(jù)初始采樣頻率為1000 Hz，處理過程中采樣頻率為250 Hz；使用5～100 Hz帶通濾波器及50 Hz帶阻濾波器對采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。信號處理端采用空時均衡動態(tài)窗算法，該算法通過對腦電數(shù)據(jù)的特征進行學(xué)習(xí)，自動尋找適當(dāng)?shù)目諘r均衡器，以減少腦電信號中有色背景噪聲的不利影響[7]。此外，通過空時均衡動態(tài)窗算法可確定合適的時間窗長度，從而獲取準(zhǔn)確的分類結(jié)果，當(dāng)信號處理端在連續(xù)8個時間窗內(nèi)判決相同時系統(tǒng)則輸出判決結(jié)果。這就允許使用者在工作狀態(tài)與休息狀態(tài)之間進行自如切換，當(dāng)使用者需要進行內(nèi)容表達(dá)時注視對應(yīng)的閃爍目標(biāo)即可選中，而未注視目標(biāo)時系統(tǒng)則不會輸出結(jié)果，更能夠貼近實際使用場景。

2.2 系統(tǒng)驗證結(jié)果

2.2.1 系統(tǒng)驗證人群特征 18名健康受試者中，年齡26（25～28）歲，受教育年限19（19～22）年，男性和女性各9名。每名受試者具體試驗結(jié)果見表1。

表1 18名健康受試者各項任務(wù)結(jié)果

2.2.2 系統(tǒng)性能評估 打字-單任務(wù)的120次輸入中，受試者的平均ITR為79.92±43.55 bits/min，準(zhǔn)確率為94.00%（92.00%～97.00%），平均識別時長為4.33（2.46～6.44）s。古詩任務(wù)中，輸出速率為1.79（1.49～3.05）字/分鐘，識別時長為5.11±2.78 s。指令-單任務(wù)輸出速率為32.44（11.73～38.64）指令/分鐘，識別時長為1.85（1.55～5.12）s，正確率為95.65%（90.76%～98.37%）。指令-連續(xù)性任務(wù)中平均輸出速率為23.66±9.50指令/分鐘，平均識別時長為3.08±1.62 s（表2）。

2.2.3 系統(tǒng)使用負(fù)荷和安全性評估 NASATLX量表中各維度評分：腦力需求27（20～43）分、體力需求27（20～47）分、時間需求30（18～60）分、努力程度43（22～80）分、業(yè)績水平84（78～100）分、受挫程度14（3～21）分（表2）。使用過程中，所有受試者均無頭暈、頭痛等不適癥狀。

表2 男性與女性受試者試驗結(jié)果比較

2.2.4 系統(tǒng)使用及負(fù)荷的性別差異 除打字-單任務(wù)中的聲母和韻母正確率、古詩任務(wù)中的輸出速率外，女性受試者完成打字-單任務(wù)、古詩任務(wù)、指令-連續(xù)性任務(wù)和指令-單任務(wù)中的其他指標(biāo)均優(yōu)于男性受試者，差異有統(tǒng)計學(xué)意義；另外，女性受試者NASA-TLX量表中時間需求評分低于男性受試者，業(yè)績水平評分高于男性受試者，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（表2）。

3 討論

本研究根據(jù)卒中后語言障礙患者的臨床特點和應(yīng)用需求，研發(fā)了卒中語言之星系統(tǒng)樣機，并在18名健康受試者中針對系統(tǒng)性能、使用負(fù)荷及安全性進行全面評價，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足日常生活交流、緊急情況呼叫、充分表達(dá)想法的需求，且使用負(fù)荷較低，安全性較高，可發(fā)揮卒中急性期替代語言表達(dá)的作用。

語言障礙是卒中后常見的癥狀，傳統(tǒng)康復(fù)治療存在滯后性，難以滿足患者的表達(dá)需求。多數(shù)患者合并肢體運動障礙，傳統(tǒng)的交流方式無法為其服務(wù)，因此如何幫助患者在發(fā)病急性期與家屬及其他人員進行有效交流，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)需要解決的重點問題。

BCI技術(shù)的快速發(fā)展為卒中后語言障礙患者有效交流帶來新的希望，目前國內(nèi)外研發(fā)的BCI拼寫器大部分基于P300和SSVEP范式實現(xiàn)，內(nèi)容輸入主要集中于英文與數(shù)字的拼寫，關(guān)于中文輸入的研究較少。中文輸入的研究主要集中于單一拼音輸入、筆劃輸入，如有研究提出的P300中文筆劃輸入及SSVEP與P300混合BCI聯(lián)合機械臂筆劃輸入等[8-9]。本研究與既往研究相比，存在如下優(yōu)勢：第一，基于SSVEP實現(xiàn)，較P300電位相比，極大地縮短了訓(xùn)練及學(xué)習(xí)成本；第二，將中英文打字融合于同一系統(tǒng)，使用者可根據(jù)語言習(xí)慣自由切換輸入法；第三，創(chuàng)新性提出“漢語意群”指令輸入法，每條指令由1～5個漢字組成，與傳統(tǒng)單字輸入法比較，明顯提高了溝通效率。

本系統(tǒng)的有效性及安全性在健康人群中獲得了初步驗證，本研究發(fā)現(xiàn)，女性受試者打字-單任務(wù)中平均ITR、正確率，指令-單任務(wù)中輸出速率和正確率，指令-連續(xù)性任務(wù)中輸出速率均高于男性受試者。目前尚無SSVEP與性別差異的相關(guān)性研究，故本研究中性別差異結(jié)果的發(fā)生機制尚未明確，或許可以從視覺誘發(fā)電位（visual evoked potential，VEP）與性別差異分析中得到提示。研究顯示，性別是影響VEP的重要變量，女性VEP相關(guān)響應(yīng)波的潛伏期較男性短，峰值幅度較男性高。分析可能原因如下：第一，男性與女性頭圍差異。Dion等[10]發(fā)現(xiàn)女性N75潛伏期較短，其中不同頭圍大小VEP結(jié)果差異有統(tǒng)計學(xué)意義。但Sharma等[11]研究表明頭圍與VEP結(jié)果無關(guān)。第二，激素水平的差異。Marsh等[12]選取妊娠與非妊娠女性進行VEP檢查，結(jié)果顯示妊娠較非妊娠女性VEP相關(guān)響應(yīng)波潛伏期更短、波幅高。但Buchsbaum等[13]選取性腺缺乏的男性與健康男性完成VEP檢查，結(jié)果顯示兩組間VEP結(jié)果差異無統(tǒng)計學(xué)意義。此外，Wolpaw等[14]基于BCI研究的經(jīng)驗，提出性別與BCI使用效果間未存在差異，還需進一步擴大樣本量完善分析。

卒中語言之星系統(tǒng)性能可滿足受試者的基本需求，但使用時仍存在不便：第一，腦電采集設(shè)備基于濕電極系統(tǒng)，用戶在使用前及使用后需要各洗一次頭發(fā)，增加了系統(tǒng)使用的復(fù)雜性。干電極可有效避免使用導(dǎo)電膏的諸多不便，但目前的信號質(zhì)量無法滿足SSVEP-BCI系統(tǒng)的需求。第二，中文字庫中納入了2000個左右常用字，基本能滿足受試者的日常使用，但輸入法尚缺乏智能功能，如拼音糾錯、記憶功能、詞語聯(lián)想等功能，還需進一步升級完善系統(tǒng)性能，從而更大程度提高溝通效率。

【點睛】本研究根據(jù)卒中后語言障礙患者的臨床特點和應(yīng)用需求，研發(fā)卒中語言之星系統(tǒng)樣機，對18名健康受試者檢測結(jié)果進行評價，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足日常生活交流、緊急情況呼叫、充分表達(dá)想法的需求，且使用負(fù)荷較低，安全性較高，可發(fā)揮卒中急性期替代語言表達(dá)的作用。