基于P300高性能BCI打字機的研究與實現

摘要：隨著科技的發展，人們對于計算機能力的提高日益強大，從而推動了人機交互技術的不斷發展。類似于傳統的人機交互方式（鍵盤，鼠標，遙控器等），腦機接口（Brain Computer Interface，BCI）技術同樣也可以被當作成一種人機交互方式。在字符輸入中，以往的誘發界面常用6×6矩陣（26個字母加10個阿拉伯數字），并按照一定順序排列并以橫、列方式進行閃爍，然后利用P300來分析所輸入的字符。本文按照字母出現頻率不同以一定方式組合成不同的誘發界面，通過對比找出高性能的BCI打字機。為以后BCI系統誘發界面應用中提供一些必要的參考依據。

關鍵字：腦機接口；P300；誘發界面

中圖分類號： TP335 文獻標識碼： A

1引言

隨著科學技術的不斷發展，人們對電腦的技術的依賴性不斷加強以及對大腦功能的認識不斷深入了解，由此出現了一個新型領域——腦機接口。當人們進行某種行為的時候，大腦中會產生相應的生理信號，并在頭皮那里以不同電位的形式顯示出來，這樣可以通過一定的方法可以反映出人們的生理意圖。它代替人體的神經系統和肌肉組織向外部傳送大腦的信息和指令，從而有效的完成對外界的交流和控制任務，這就是腦機接口（BCI）。

腦電圖（EEG）是通過腦電圖描記儀將人體腦部自身產生的微弱生物電放大記錄而得到的曲線圖。根據系統所依賴的EEG成分的不同，BCI可分為多個類型，主要有穩態視覺誘發電位（SSVEP）、事件相關誘發電位（ERP）、運動想象（MI）等，其中常用于字符輸入的主要是基于SSVEP和ERP。P300是一種事件相關電位，其峰值大約出現在事件發生后300ms，相關事件發生的概率越小，所引起的P300越顯著，P300主要用于ERP中。

當前誘發界面的P300—BCI大多數都是按正常字母的排列，又是以一定的橫列閃爍方式，由于只有六行六列，事件發生的概率為1/6，所以P300的效果不是很明顯，字符輸入的效率就沒那么高，并且用戶在線實驗久了，很容易產生視覺疲勞。在本研究中，研究者設計并實現了基于P300的高性能虛擬鍵盤輸入BCI系統，針對字母出現頻率的不同，按照字母出現頻率不同以一定方式進行組合成不同的誘發界面，閃爍方式對每個字符都是隨機的，事件發生的概率為1/40，使事件出現的概率大大降低從而P300才會更加顯著。

2 系統的實現

2.1腦機接口系統的組成

腦機接口系統主要由信號采集、信號處理、模式識別與分類、外部控制裝置和反饋裝置等部分組成。（如圖1）

2.2腦機接口系統的工作原理

人腦P300電位的誘發可以通過心理學實驗中經典的Oddball范式來實現：P300隨小概率靶事件出現，事件概率越小，P300電位就越顯著。如果能使用戶選擇的對象成為小概率事件，則當此對象出現時，其EEG中就會出現P300電位。再通過檢測P300發生時刻，就能判斷用戶的選擇。在隨機閃爍時，由于每個選項框閃爍的概率相等，當用戶將其中的一塊當做自己預想選擇時，每個字符在一個round中隨機閃爍一次，高性能界面有40個字符，并且每個字符是隨機閃爍的，其概率為1/40，誘發出的P300電位將很明顯。在隨后的實驗也驗證了對字符輸入的準確率有一定的提高。

2.3高性能打字機的原理

以往的誘發界面每輸入一個round時需要多次用到P300，而該高性能打字機每輸入一個round時只需用到一次P300；以往的誘發界面每個字符的輸入都是需要同樣多次的round，而該高性能打字機當系統一旦確認受試者輸入的字符之后，馬上顯示出來，并進行下一個字符輸入，并不需要每個字符輸入都需要進行相同次數的round。

字符輸入界面一共有四十個字符，每個字符的排列方式是根據人眼看界面時第一眼看的通常是界面中心的這個常理，為了使實驗效果更加顯著，研究者把字符以一定的形式進行排列，閃爍時間的間隔是30ms。每個round之間的時間間隔是2000ms的空白，緊接著有3000ms的時間來在高性能界面上尋找輸入的字符，這樣可以讓受試者在實驗時不會因視覺疲勞而對實驗產生一些不利的影響。在訓練時，有足夠的時間找到提示輸入的字符，使字符的輸入速率也大大提高，隨后的實驗驗證了該誘發界面的可行性。

2.4 P300命令的識別

2.5工作過程

在字符輸入過程中，每一個界面選擇階段結束以后，用戶界面向EEG處理程序發送閃爍完成的信息，然后進入等待狀態。處理程序收到此信息后讀取緩存區的EEG數據，進行分析判別后將對應的P300命令發送給界面。

3高性能BCI誘發界面的設計

筆者通過從收集的數據比較中得出結論，英文單詞中出現頻率較高的9個英文字母分別是：A、E、C、D、B、F、G、H、I，出現頻率較低的7個字母分別是： Q 、R、V、W、V、X、Z。通過對如圖2所示的傳統六邊形矩陣虛擬鍵盤誘發界面和入圖3所示的傳統6×6矩陣虛擬鍵盤誘發界面進行訓練實驗，筆者發現出現頻率較高的字母并沒有被安排在誘發界面相對集中的位置，出現頻率較高和出現頻率很低的字母交叉混排在一起。這使得訓練過程中，受訓者轉換眼睛注意力的時候速度較慢，并且很容易產生猶豫，從而使得P300采集的信號不穩定，增加了訓練時間和次數，影響到訓練結果，使訓練后輸入的正確率不夠高。由此可以得出結論：傳統的誘發界面中，字符排列順序的設計并不科學，看起來似乎是微不足道的缺陷，卻浪費了我們有效工作時間。

通過對不同類型的英語文獻進行對比統計，筆者按照字符出現的頻率，設計了一個如圖4所示的高性能虛擬鍵盤誘發界面。界面的背景為灰色，顯示的字符塊為黑色，字符顏色為白色，選項框的閃爍色為藍色，閃爍時間為30ms。每個字符之間的閃爍是隨機的，為了使P300更加明顯，在前一個round與后一個round之間的五個字符不會重復。

4結論

從實驗結果上看，本實驗達到了預期的目標。通過與其他打字機的全方位綜合對比，發現該高性能打字機相對普通的打字機具有更高的性能。這不僅說明該高性能打字機不僅有著研發可行性，并且在不久的將來該高性能打字機將會廣泛的應用于以后的研究中。腦機接口時代的來臨是計算機世界的一次革命，是計算機研究道路的里程碑，不僅如此，該研究更是廣泛的影響到了BCI中誘發界面的發展，甚至從某種程度上改變了BCI中誘發界面的發展，從而進一步廣泛影響到其他相關研究，將對時代產生深遠的影響。

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