基于稳态视觉诱发电位的脑机接口元素尺寸和间距工效学研究.docx
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2023-02-23
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1. 引言
脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)是一种测量中枢神经系统活动并将其转换为人
工输出的系统，可替代、恢复、增强、补充或改善中枢神经系统的自然输出，从而改变中
枢神经系统与其外部或内部环境之间的持续交互作用，故对 BCI 的研究使得人体与外界的
交互形式增多，利于提升残障人士的生活福祉。当前，BCI 研究领域的关注点主要在以下
3 个方面：创新信号采集硬件、优化信号处理、探索应用场景等
[1]
。在创新信号采集硬件
上，Lee 等人
[2]
报告了可以自主执行神经传感和电微刺激的无线联网与供电电子微芯片，实
现了单独电极的灵活放置。Afanasenkau 等人
[3]
提出了一种软生物电子植入物的快速原型制
作技术，可以快速印刷柔软的生物相容性材料，用于需要定制电极阵列的原型设计。在优
化信号处理上，Sani 等人
[4]
开发了优先子空间识别 PSID，是一种对神经活动进行建模的算
法，同时对其行为相关的动态进行分离和优先排序。罗志增等人
[5]
提出一种结合脑功能网
络和样本熵的特征提取方法，实现了更优的左右手运动想象分类效果。徐宝国等人
[6]
提出
了一种基于小波分析和 AR 模型的脑电信号特征提取方法，为在线 BCI 系统的研究提供了
新的思路。吴明权等人
[7]
针对单通道脑电提出一种基于长时差分振幅包络与小波变换的眼
电干扰自动分离方法，能够高效地检测出几乎所有的眼电伪迹和大强度的其他伪迹。高诺
等人
[8]
针对脑卒中开发了基于脑机接口技术的上下肢康复系统，有效解决了传统康复疗法
中存在被动介导的问题。在探索应用场景上，Li 等人
[9]
为脑控移动机器人开发了一个鲁棒
的非线性预测控制器，提高了系统的整体性能。Willett 等人
[10]
开发了一种皮层内 BCI，解
码来自运动皮层神经活动的手写动作尝试，并将其实时转换为文本。Moses 等人
[11]
从瘫痪
失语的患者运动皮层活动中解码出完整句子。
典型 BCI 系统根据脑电来源不同，有运动想象
[12]
、稳态视觉诱发电位(Steady-State
Visual Evoked Potential, SSVEP)
[13]
、P300
[14]
等种类。其中基于 SSVEP 的 BCI 比运动想象准
确度高，比 P300 输出指令快
[15]
，故其泛用性更好，本文选择基于 SSVEP 的 BCI 系统作为
研究对象。
SSVEP 是视觉刺激诱发的枕叶相应的脑电活动
[16]
。刺激呈现是 SSVEP-BCI 的关键环
节
[17]
，刺激呈现方式有光源(LED 灯、荧光灯和氙气灯等)和屏幕(CRT 和 LCD 等)
[18]
，因显
示器具有显示内容高自由度的特征，使用屏显刺激的 SSVEP-BCI 被广泛开发。SSVEP-BCI
的屏显刺激范式可以分为 3 类：(1)简单闪烁刺激：单个刺激元素在屏幕上的出现和消失
[19]
；(2)图形模式反转刺激：例如棋盘格，模式反转刺激可以诱发更明显的脑电响应
[20]
；(3)
明暗刺激：刺激元素在深色与浅色之间切换，两种颜色的明度需要有明显的对比，例如红
色与黑色
[21]
。目前 SSVEP-BCI 已应用在输入法
[22]
、射击游戏
[23]
、虚拟小车
[24]
，智能轮椅
[25]
等场景。
目前，对于使用屏幕呈现刺激的 SSVEP-BCI，研究中尚缺乏统一、规范的界面设计标
准。如任泓锦等人
[26]
的实验界面中，使用了 5cm×10.5cm 和 5cm×8.1cm 两种元素尺寸；李
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