基于SSMVEP的脑-机接口视觉刺激探究

【作 者】刘贵彤，张志敏，柴晓珂，路阳婷，樊瑜波, ，牛海军,

1 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市，100083 2 北京市生物医学工程高精尖中心，北京市，100083

0 引言

随着脑认知、神经科学与工程科学的发展，脑-机接口（BCI）已成为生物医学、康复工程、虚拟现实及航天军事等领域的研究热点。实现BCI的方式很多，其中基于稳态视觉诱发电位（SSVEP）的BCI系统因具有波形稳定、频谱特征明显等优点，在BCI系统中被广泛采用[1-3]。

视觉刺激是实现基于SSVEP的BCI系统的首要条件，多采用闪烁模式进行刺激，包含三种刺激方式，为采用频率编码、相位编码及频率和相位联合编码，其分别可实现96%、94%和91.04%的识别准确率[4-6]。基于闪烁刺激的SSVEP-BCI系统的准确率虽然较高，但最大问题是不停闪烁的视觉刺激带来的疲劳，长时间刺激会降低使用的舒适性和准确率[7]。为了减少刺激闪烁引起的不适，一些研究者提出了基于稳态视觉运动刺激诱发电位（SSMVEP）的BCI系统。XIE等[8]采用了亮度对比度不变、周期振荡运动的牛顿环视觉刺激方式，有效降低了视觉疲劳，但识别准确率有了一定损失。如何在减少BCI系统引发不适感的条件下，提高识别准确率，成为研究者们的探索目标。

前人的研究结论指出，轮廓清晰且边缘锐利的图形会形成更强烈的视觉刺激[9]。我们猜想如果把圆环改为边缘更锐利的形状有可能会提高识别准确率。本文在牛顿环刺激的基础上，将方环与振荡运动结合设计了一种边缘更锐利的方环运动刺激方式，并将其与牛顿环振荡运动、方形闪烁及圆形闪烁进行对比，比较四种刺激方式所诱发脑电信号的特征、识别准确率与主观舒适度的差异。

1 刺激设计

方环运动刺激是在牛顿环振荡刺激的基础上改进而成，在保持原运动模式的基础上将牛顿环中每一个圆环改进为方环[8]。方环运动刺激是由5组中心相同的黑白方环组成（图1(a)示例）。其绘制公式为：

式中：λ为常数，本文取0.05；d为360×360二维模板矩阵；方环的振荡运动由φ(i)形成，公式为：

式中：f为刺激频率；i为当前帧数编号；R=60为屏幕刷新率。φ(i)由0逐步变为π，方环形成收缩运动；由π逐步变为0方环形成扩张运动。图1(b)展示了刺激频率为12 Hz时方环运动一个周期的呈现过程。

图1 方环刺激Fig.1 The square’s ring based stimulation

本文同时还选择牛顿环运动、方形闪烁、圆形闪烁三种刺激方式作为对照，牛顿环绘制方式参考文献[8]，方形闪烁及圆形闪烁采用正弦调制改变亮度方式实现[10]。

2 实验与方法

2.1 刺激界面

实验采用的视觉刺激界面为黑色背景上的4×2视觉刺激矩阵（频率分别为8、9、10、11、12、13、14、15 Hz），视觉刺激方式为方环运动（外环边长5.5 cm）、牛顿环运动（外环直径6.2 cm）、方形闪烁（边长5.5 cm）和圆形闪烁（直径6.2 cm）四种。视觉刺激由Matlab编写，在24 in LCD显示器（Acer，1 920×1 080 像素，屏幕刷新率60 Hz）呈现。

图2 刺激界面Fig.2 Stimulation interface

2.2 脑电信号采集

实验选择9名健康成年人（年龄23.5±3.8岁），女性4例，男性5例，均为右利手；受试者视力正常或矫正视力正常，无脑部疾病史。实验在安静的室内进行，受试者坐姿，平视屏幕，距离约70 cm。通过采样频率1 kHz的 Neuroscan脑电系统（Synamps2），采集枕区八个脑电采集通道（PO3、PO4、PO7、PO8、POz、O1、Oz、O2）脑电信号，所有电通道电极阻抗均低于10 kΩ。实验时，每位受试者注视四种不同视觉刺激，每种视觉刺激包含40个试次。每个试次开始前，刺激目标所在位置会随机显示0.5 s的刺激提示，随后开始4 s视觉刺激，结束后黑屏0.5 s，然后开始下一试次。

2.3 脑电信号处理

脑电信号处理主要包括三个步骤，即预处理、信号特征识别、准确率计算。信号预处理采用基线校正、50 Hz陷波、3～40 Hz带通滤波等方法。信号特征识别首先采用频谱分析进行预判，然后采用典型相关分析（CCA）识别SSVEP的刺激频率。CCA算法计算脑电信号与不同频率参考信号的相关系数，最大相关系数对应的参考信号频率即该段信号响应频率[11]，参考信号为刺激频率的正弦信号和余弦信号，本文选择参考信号为，sin(πfit)，cos(πfit)，sin(2πfit)，cos(2πfit)，sin(4πfit)，cos(4πfit)，其中fi为刺激频率。此外为考虑到瞬态视觉诱发电位可能的影响，去除每一段脑电前0.5 s的数据[12]。最后，计算不同频率下9名受试者对四种刺激方式的识别准确率，采用双元素一元方差分析结果。

2.4 主观评价

每种刺激结束后，受试者会按照自己的主观感受对四种视觉刺激的喜欢程度、增加的疲劳感、增加的烦躁感及对刺激时长的评价四个方面进行打分（1最低，7分最高）[13]。通过归一化、平均等方法将受试者主观评分整合对四种刺激方式的舒适度评分，采用双元素一元方差分析结果。

3 结果

3.1 不同视觉刺激SSVEP的频谱分析

频谱分析发现方环运动与其他三种方式一样，在八个刺激频率基频或谐波处出现明显峰值（图3示例）。9名受试者SSVEP幅度谱表现出相同规律，即方环运动和牛顿环运动的波峰幅度基本一致，但明显小于方形闪烁和圆形闪烁的峰值幅度（图4示例）。

图3 不同频率方环运动诱发S7的SSVEP幅度谱Fig.3 SSVEP amplitude spectrum of S7 elicited by square’s ring motion at diあerent frequency

图4 S7在13 Hz诱发的SSVEP幅度谱Fig.4 SSVEP spectrum amplitude of S7 elicited by 13 Hz

3.2 不同视觉刺激的SSVEP识别准确率

计算八个刺激频率下四种刺激方式SSVEP识别准确率（表1示例）。运动模式在各频率的准确率均低于闪烁模式，二者间存在显著性差异（P=0.000）；方形刺激和圆形刺激间不存在显著性差异（P=0.947），且刺激模式（运动、闪烁）和刺激图形（方形、圆形）间无交互作用（P=0.964）。

3.3 受试者对不同视觉刺激的主观舒适度评价

受试者对四种视觉刺激主观舒适度评分（图5示例），由高到低分别为回形环运动、牛顿环运动、圆形闪烁和方形闪烁。运动模式舒适度评价高于闪烁模式，二者间存在显著性差异（P=0.039）；方形刺激和圆形刺激间舒适度不存在显著性差异（P=0.998），刺激模式（运动、闪烁）和刺激图形（方形、圆形）间无交互作用（P=0.629）。

图5 受试者对不同视觉刺激的舒适度评价Fig.5 Subjective comfort evaluation of diあerent stimulations

4 讨论

本研究提出一种基于稳态运动视觉诱发电位的BCI系统视觉刺激-方环运动模式，并与牛顿环运动、方形和圆形闪烁所诱发的SSVEP识别准确率和舒适度进行了比较。从脑电信号频谱来看，方环运动可以有效诱发脑电信号，其诱发的幅度与牛顿环运动相似但明显低于闪烁刺激。

从识别准确率的结果来看，方环运动准确率与牛顿环运动相同但低于闪烁模式，与以前研究者的结果一致[8]，运动模式识别准确率低于闪烁模式。尽管有研究认为视觉系统对边缘锐利图形更敏感[9-14]，但本实验结果表明方形和圆形诱发的SSVEP识别准确率没有差异[15-16]。主观评价结果表明，方环运动刺激的舒适度最高；相比闪烁模式，运动模式有更高的舒适度。

表1 不同频率的SSVEP识别准确率(%)Tab.1 SSVEP classification accuracy of diあerent frequencies (%)

运动模式虽然因其低对比度的刺激方式有效降低受试者的不适感，但也因为这种刺激方式使识别正确率有一定损失。若在有效控制系统误操作率的前提下，运动模式可以作为视觉刺激用在需长时间使用的BCI场景中，以降低使用时不适感。方环运动识别准确率相比牛顿环运动虽然没有明显的提高，但其对舒适度略有提高。未来，我们将研究提高方环运动刺激模式的准确率的方法，从而提高其应用于BCI系统的可靠性。