基于P300高性能BCI打字机的研究与实现

摘要：随着科技的发展，人们对于计算机能力的提高日益强大，从而推动了人机交互技术的不断发展。类似于传统的人机交互方式（键盘，鼠标，遥控器等），脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）技术同样也可以被当作成一种人机交互方式。在字符输入中，以往的诱发界面常用6×6矩阵（26个字母加10个阿拉伯数字），并按照一定顺序排列并以横、列方式进行闪烁，然后利用P300来分析所输入的字符。本文按照字母出现频率不同以一定方式组合成不同的诱发界面，通过对比找出高性能的BCI打字机。为以后BCI系统诱发界面应用中提供一些必要的参考依据。

关键字：脑机接口；P300；诱发界面

中图分类号： TP335 文献标识码： A

1引言

随着科学技术的不断发展，人们对电脑的技术的依赖性不断加强以及对大脑功能的认识不断深入了解，由此出现了一个新型领域——脑机接口。当人们进行某种行为的时候，大脑中会产生相应的生理信号，并在头皮那里以不同电位的形式显示出来，这样可以通过一定的方法可以反映出人们的生理意图。它代替人体的神经系统和肌肉组织向外部传送大脑的信息和指令，从而有效的完成对外界的交流和控制任务，这就是脑机接口（BCI）。

脑电图（EEG）是通过脑电图描记仪将人体脑部自身产生的微弱生物电放大记录而得到的曲线图。根据系统所依赖的EEG成分的不同，BCI可分为多个类型，主要有稳态视觉诱发电位（SSVEP）、事件相关诱发电位（ERP）、运动想象（MI）等，其中常用于字符输入的主要是基于SSVEP和ERP。P300是一种事件相关电位，其峰值大约出现在事件发生后300ms，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著，P300主要用于ERP中。

当前诱发界面的P300—BCI大多数都是按正常字母的排列，又是以一定的横列闪烁方式，由于只有六行六列，事件发生的概率为1/6，所以P300的效果不是很明显，字符输入的效率就没那么高，并且用户在线实验久了，很容易产生视觉疲劳。在本研究中，研究者设计并实现了基于P300的高性能虚拟键盘输入BCI系统，针对字母出现频率的不同，按照字母出现频率不同以一定方式进行组合成不同的诱发界面，闪烁方式对每个字符都是随机的，事件发生的概率为1/40，使事件出现的概率大大降低从而P300才会更加显著。

2 系统的实现

2.1脑机接口系统的组成

脑机接口系统主要由信号采集、信号处理、模式识别与分类、外部控制装置和反馈装置等部分组成。（如图1）

2.2脑机接口系统的工作原理

人脑P300电位的诱发可以通过心理学实验中经典的Oddball范式来实现：P300随小概率靶事件出现，事件概率越小，P300电位就越显著。如果能使用户选择的对象成为小概率事件，则当此对象出现时，其EEG中就会出现P300电位。再通过检测P300发生时刻，就能判断用户的选择。在随机闪烁时，由于每个选项框闪烁的概率相等，当用户将其中的一块当做自己预想选择时，每个字符在一个round中随机闪烁一次，高性能界面有40个字符，并且每个字符是随机闪烁的，其概率为1/40，诱发出的P300电位将很明显。在随后的实验也验证了对字符输入的准确率有一定的提高。

2.3高性能打字机的原理

以往的诱发界面每输入一个round时需要多次用到P300，而该高性能打字机每输入一个round时只需用到一次P300；以往的诱发界面每个字符的输入都是需要同样多次的round，而该高性能打字机当系统一旦确认受试者输入的字符之后，马上显示出来，并进行下一个字符输入，并不需要每个字符输入都需要进行相同次数的round。

字符输入界面一共有四十个字符，每个字符的排列方式是根据人眼看界面时第一眼看的通常是界面中心的这个常理，为了使实验效果更加显著，研究者把字符以一定的形式进行排列，闪烁时间的间隔是30ms。每个round之间的时间间隔是2000ms的空白，紧接着有3000ms的时间来在高性能界面上寻找输入的字符，这样可以让受试者在实验时不会因视觉疲劳而对实验产生一些不利的影响。在训练时，有足够的时间找到提示输入的字符，使字符的输入速率也大大提高，随后的实验验证了该诱发界面的可行性。

2.4 P300命令的识别

2.5工作过程

在字符输入过程中，每一个界面选择阶段结束以后，用户界面向EEG处理程序发送闪烁完成的信息，然后进入等待状态。处理程序收到此信息后读取缓存区的EEG数据，进行分析判别后将对应的P300命令发送给界面。

3高性能BCI诱发界面的设计

笔者通过从收集的数据比较中得出结论，英文单词中出现频率较高的9个英文字母分别是：A、E、C、D、B、F、G、H、I，出现频率较低的7个字母分别是： Q 、R、V、W、V、X、Z。通过对如图2所示的传统六边形矩阵虚拟键盘诱发界面和入图3所示的传统6×6矩阵虚拟键盘诱发界面进行训练实验，笔者发现出现频率较高的字母并没有被安排在诱发界面相对集中的位置，出现频率较高和出现频率很低的字母交叉混排在一起。这使得训练过程中，受训者转换眼睛注意力的时候速度较慢，并且很容易产生犹豫，从而使得P300采集的信号不稳定，增加了训练时间和次数，影响到训练结果，使训练后输入的正确率不够高。由此可以得出结论：传统的诱发界面中，字符排列顺序的设计并不科学，看起来似乎是微不足道的缺陷，却浪费了我们有效工作时间。

通过对不同类型的英语文献进行对比统计，笔者按照字符出现的频率，设计了一个如图4所示的高性能虚拟键盘诱发界面。界面的背景为灰色，显示的字符块为黑色，字符颜色为白色，选项框的闪烁色为蓝色，闪烁时间为30ms。每个字符之间的闪烁是随机的，为了使P300更加明显，在前一个round与后一个round之间的五个字符不会重复。

4结论

从实验结果上看，本实验达到了预期的目标。通过与其他打字机的全方位综合对比，发现该高性能打字机相对普通的打字机具有更高的性能。这不仅说明该高性能打字机不仅有着研发可行性，并且在不久的将来该高性能打字机将会广泛的应用于以后的研究中。脑机接口时代的来临是计算机世界的一次革命，是计算机研究道路的里程碑，不仅如此，该研究更是广泛的影响到了BCI中诱发界面的发展，甚至从某种程度上改变了BCI中诱发界面的发展，从而进一步广泛影响到其他相关研究，将对时代产生深远的影响。

5参考文献

[1] 孟飞，黄军友，高小榕.基于脑-机接口技术的上肢康复训练系统[J].中国康复医学杂志，2004，19（5）：327-329.

[2] 谢水清，杨阳，杨仲乐.脑机接口中高性能虚拟键盘的实现[J].中南民族大学学报（自然科学版），2004，23（2）：38-40

[3] Wolpaw JR，McFarland DJ，Vaughan TM.Brain–computer interface research at the Wadsworth center IEEE Trans.Rehab.Eng.2000.8（2）：222-226.

[4] Wolpaw JR，McFarland DJ，Neat GW，et al.An EEG-based brain-computer interface for cursor control.Electroenceph.Clin.Neurophysiol.1991.78（3）：252-259.

[5] Ikeda A，Shibbasaki H.Invasive recording of movement-related cortical potentials in humans.J Clin.Neurophysiol.1992.9：409–520.

[6] Pfurtscheller G，Flotzinger D，W.Mohl，et al.Prediction of the side of hand movements from single trial multichannel EEG data using neuralnetworks.Electroenceph.Clin.Neurophysiol.1992.82：313- 315.