—ISN10—00-0054清华大学学报(自然科学版2008年第48卷第3期CNl1—2223/NJTsinghuaUniv(Sci8LTech,2008,V01.48,No.3基于P300的脑一机接口:视觉刺激强度对性能的影响马忠伟,高上凯(清华大学医学院生物医学工程系,北京100084摘要:脑一机接口(BCI是大脑与外部世界直接的交流通道。为了研究视觉刺激强度对基于P300的脑一机接口性能的影响,设计并实现7一种基于5个选择oddball的P300诱发电位范式的脑一机接口系统,并在此系统中研究2种不同强度下视觉刺激(高强度和低强度下脑一机接口的信息传输率差异.9名受试者参加了实验,每位受试者在高低2种强度视觉刺激下各采集40组数据,数据在预处理后使用支持向量机进行分类,最终的目标识别率分别为84%和81%.平均波形表明在所设计的范武下2种强度视觉刺激均可以诱发出稳健的P300电位,高线分析表明高强度视觉刺激下平均信息传输率可以达到4.9bit/rain,而低强度视觉刺激下为4.5bit/min.关键词:脑一机接口,P300,支持向量机信息传输率中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:1000—0054(200803—0415—04P300一basedbrain-computerinterface:EffectofstimulusintensityonperformanceMAZhongwel.GAOShangkai(Department“BiomedicalEngineering.SchoolofMedicine,TsinghnaUniversity,Beijing100084.ChinaAbstractlAbrain—computerinterface(BCIi88directcommunicationchannelbetweenthehumanbrainandtheexternalworld,Theeffectofstimulusintensityontheperformanceofthebrain—computerinterfacewasinvestigatedusingaP300-basedBCIsystemhavingafive—choiceoddballparadigm.9subjectsparticipatedthetestswitheachsubjectcompleting40epochswithhighintensityvisualstimuli(HIVSand40epochswithlowintensityvisualstimuli(LIVS.TheresultsshowadifferenceoItheBCIperformancebetweentheHIVSandtheLIVS.Thepreprocesseddatawereclassifiedbyasupportvectormachines.Theidentificationcorrectratesof84%withHIVSand81%withLIVSwereacquired.TheaveragedwaveformafromtheHIVSandtheLIVSshowthatthisnewparadigmcouldelicitevidentP300potentials.FurtheranalysesindicatethattheHIVSinformationtransferratecouldreach4.9bit/min,whichishigherthanthe4.5hit/rainwiththeLIVS.Keywords:brain—computerinterface(BCIIP300Isupportvectormachine-informationtransferrate28/36415—418脑一机接口(brain—computerinterface,BCI是当前神经工程研究的热点之一,它旨在建立一个人脑和外周世界的直接交流通道,把大脑发出的指令或者信息直接传递给被控制的外部设备u吨]。因为BCI系统是不需要外周肌肉与神经参与的通讯系统,所以它可以帮助那些运动障碍的残疾患者实现与外界的交流,从而改善生活质量。P300电位是脑一机接口中经常使用的信号,通常通过Oddball范式诱发D],它应用于脑一机接1:3有2个明显的优势[1]:首先是受试者不需要进行训练即可诱发出P300电位;其次是由于P300的延迟很短,所以单次实验的时间也可以很短。Donchin首先把P300电位引入BCI领域H]。P300电位的分析方法有很多,常见的有:相关、独立分量分析、小波变换和支持向量机等。最近国际脑一机接口数据竞赛接连出现与P300分析相关的竞赛题目,效果好的多是采用支持向量机为核心的算法进行分类哺1]。由于对于某些残疾人来说,6×6的字符矩阵可能过于复杂,因此最近很多学者开始研究4个选择情况下的BCI系统口1]。4个选择可以传递一些简单的命令,但是当应用到模拟鼠标控制时,至少应该有5个选择才能完成基本的控制(上、下、左、右、确定。因此,本文提出了一种基于Oddball条件的5个选择的新范式,并验证了它可以诱发出稳定的P300信号来实现信息传递。Polich等[9]的研究表明,视觉刺激强度增加会增加P300波峰的幅度并减小其延迟。但是刺激强度是否会影响BCI系统性能仍然未知,因此本文在新范式下研究2种不同刺激条件下(高强度和低强收稿日期:2006—12—27基金项目:国家自然科学基金资助项目(60318001I清华一裕元医学科学研究基金项目作者简介。马忠伟(1978一,男(汉.北京,博士研究生.通讯联系人l高上凯,教授,E—maillg...