基于穩態視覺誘發電位腦機接口的卒中后語言障礙輔助交流系統的研發與驗證

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?。?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生率為21%～38%[2]，構音障礙發生率為20%～30%[3]。語言功能喪失為患者及其家庭帶來嚴重影響，傳統語言康復訓練周期長、康復性滯后，無法滿足患者表達和溝通的現實需求。穩態視覺誘發電位（steady-state visual evoked potential，SSVEP）腦機接口（brain-computer interface，BCI）技術的快速發展為探索卒中后語言障礙的解決方法帶來新的曙光[4]。本研究根據卒中后患者語言交流障礙的臨床特點和實際應用需求，設計了一套基于穩態視覺誘發電位腦機接口技術的卒中后語言障礙輔助交流系統（steady-state visual evoked potential based brain computer interface communication system，SSVEP-BCI-CS），即卒中語言之星系統。通過18名健康受試者操控卒中語言之星系統的識別準確率、信息傳輸速率及負荷等指標以評估系統的可行性，同時為該系統后續在卒中后語言障礙患者中的應用奠定基礎。

1 研究方法

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

1.2 系統的驗證

1.2.1 總體目標 對卒中語言之星系統在正常人群中的使用效率、負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科大學附屬北京天壇醫院對BCI技術感興趣的學生及職工，共納入18名。所有受試者視力或矯正視力在0.8以上，無神經功能缺損癥狀，既往無偏頭痛及癲癇發作病史。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。

1.2.3 任務設計 受試者需完成4種類型任務：指令-單任務、指令-連續性任務、打字-單任務及古詩任務。指令-單任務內容為根據提示隨機輸入46項指令目標；指令-連續性任務內容為在無提示情況下表達“指令-醫療相關需求-胸部不適-返回”“指令-情感表達需求-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-單任務內容為根據提示隨機輸入聲母、韻母、英文各40個目標；古詩任務內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選項即可完成輸入。完成任務標準：指令-單任務根據提示完成46次輸入，打字-單任務根據提示完成聲母、韻母、英文各40次輸入，兩種任務不論輸出是否正確，只要完成輸入后均可跳轉到下一次提示；指令-連續性任務及古詩任務需完成任務內容的正確輸出。

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

其中，T表示平均試驗時長，Q表示目標數量，P表示識別正確率。準確率=（正確目標數/總輸入目標數）×100%。指令-單任務、打字-單任務及指令-連續性任務識別時長為單次試驗時間；古詩任務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。

系統使用負荷評價采用美國國家航空航天局任務負荷指數量表（National Aeronautics and Space Administration-task load index，NASA-TLX），內容包括腦力需求、體力需求、時間需求、努力程度、業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，業績水平評分則越高，任務負荷亦越低[5]。

系統安全性評價指標：受試者是否出現頭暈、頭痛、癲癇發作等與試驗相關的不適癥狀。此外，并對男性與女性受試者的性能評價指標及使用負荷評價指標進行比較。

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

2 結果

2.1 系統介紹 卒中語言之星系統架構如圖1所示。使用者注視屏幕中選項進行選擇，不同選項誘發的腦電信號通過無線放大器采集并傳輸至系統處理端進行分類，最終分類結果通過語音播報和屏幕反饋形式反饋。系統軟件編寫基于matlab2018b軟件，顯示呈現部分采用心理學試驗設計中的常用工具箱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通道無線數字腦電采集系統。

圖1 系統結構示意圖

系統顯示端包含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模式。①緊急呼叫模式：可一鍵呼叫醫師、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，幫助患者快速表達意圖，包括醫療相關需求、情感表達需求、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，幫助患者充分表達意圖，中文輸入法采用雙拼策略，以漢語音節為基礎，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，以實現高效的中文輸入；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模式，也可通過“撤銷”鍵取消操作。所有選項均使用聯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 系統顯示頁面設計

本系統腦電數據采集應用博?？礜euSen W8通道無線數字腦電采集系統。由于SSVEP響應主要位于頂枕區，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。數據采集后通過無線腦電放大器傳輸至系統處理端進行實時處理。其中腦電數據初始采樣頻率為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據進行預處理。信號處理端采用空時均衡動態窗算法，該算法通過對腦電數據的特征進行學習，自動尋找適當的空時均衡器，以減少腦電信號中有色背景噪聲的不利影響[7]。此外，通過空時均衡動態窗算法可確定合適的時間窗長度，從而獲取準確的分類結果，當信號處理端在連續8個時間窗內判決相同時系統則輸出判決結果。這就允許使用者在工作狀態與休息狀態之間進行自如切換，當使用者需要進行內容表達時注視對應的閃爍目標即可選中，而未注視目標時系統則不會輸出結果，更能夠貼近實際使用場景。

2.2 系統驗證結果

2.2.1 系統驗證人群特征 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果見表1。

表1 18名健康受試者各項任務結果

2.2.2 系統性能評估 打字-單任務的120次輸入中，受試者的平均ITR為79.92±43.55 bits/min，準確率為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-連續性任務中平均輸出速率為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 系統使用負荷和安全性評估 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果比較

2.2.4 系統使用及負荷的性別差異 除打字-單任務中的聲母和韻母正確率、古詩任務中的輸出速率外，女性受試者完成打字-單任務、古詩任務、指令-連續性任務和指令-單任務中的其他指標均優于男性受試者，差異有統計學意義；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，業績水平評分高于男性受試者，差異均有統計學意義（表2）。

3 討論

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

語言障礙是卒中后常見的癥狀，傳統康復治療存在滯后性，難以滿足患者的表達需求。多數患者合并肢體運動障礙，傳統的交流方式無法為其服務，因此如何幫助患者在發病急性期與家屬及其他人員進行有效交流，是現代醫學需要解決的重點問題。

BCI技術的快速發展為卒中后語言障礙患者有效交流帶來新的希望，目前國內外研發的BCI拼寫器大部分基于P300和SSVEP范式實現，內容輸入主要集中于英文與數字的拼寫，關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，存在如下優勢：第一，基于SSVEP實現，較P300電位相比，極大地縮短了訓練及學習成本；第二，將中英文打字融合于同一系統，使用者可根據語言習慣自由切換輸入法；第三，創新性提出“漢語意群”指令輸入法，每條指令由1～5個漢字組成，與傳統單字輸入法比較，明顯提高了溝通效率。

本系統的有效性及安全性在健康人群中獲得了初步驗證，本研究發現，女性受試者打字-單任務中平均ITR、正確率，指令-單任務中輸出速率和正確率，指令-連續性任務中輸出速率均高于男性受試者。目前尚無SSVEP與性別差異的相關性研究，故本研究中性別差異結果的發生機制尚未明確，或許可以從視覺誘發電位（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相關響應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]發現女性N75潛伏期較短，其中不同頭圍大小VEP結果差異有統計學意義。但Sharma等[11]研究表明頭圍與VEP結果無關。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，結果顯示妊娠較非妊娠女性VEP相關響應波潛伏期更短、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，結果顯示兩組間VEP結果差異無統計學意義。此外，Wolpaw等[14]基于BCI研究的經驗，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，腦電采集設備基于濕電極系統，用戶在使用前及使用后需要各洗一次頭發，增加了系統使用的復雜性。干電極可有效避免使用導電膏的諸多不便，但目前的信號質量無法滿足SSVEP-BCI系統的需求。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、詞語聯想等功能，還需進一步升級完善系統性能，從而更大程度提高溝通效率。

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