[論文レビュー] Airborne Ultrasonic Tactile Display Brain-computer Interface Paradigm

Katsuhiko Hamada, Hiromu Mori+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2014

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、掌を刺激する空中超音波触覚ディスプレイ（AUTD）を用いた接触なし脳インターフェース（BCI）を提案し、体性感覚誘発電位を用いて6コマンド制御を可能にする。従来の振動触覚トランスデューサーと比較して、単一試行分類精度が著しく向上（83.0% 対 53.8%）し、閉鎖状態症候群（LIS）患者を含む実用的BCIアプリケーションへの応用可能性を示した。

ABSTRACT

We study the extent to which contact-less and airborne ultrasonic tactile display (AUTD) stimuli delivered to the palms of a user can serve as a platform for a brain computer interface (BCI) paradigm. Six palm positions are used to evoke combined somatosensory brain responses, in order to define a novel contact-less tactile BCI. A comparison is made with classical attached vibrotactile transducers. Experiment results of subjects performing online experiments validate the novel BCI paradigm.

研究の動機と目的

• 接触なし空中超音波触覚刺激（AUTD）が、従来の振動触覚トランスデューサーの代替として脳インターフェース（BCI）パラダイムにおいて実用的であるかどうかを評価すること。
• 視覚的および聴覚的BCIの限界、特に感覚障害を有する患者や閉鎖状態（LIS）に陥った患者に対する課題を解決すること。
• 体性感覚脳反応を用いて、AUTDを用いた6コマンドBCI制御の可能性を調査すること。
• 分類精度と使いやすさの観点から、AUTDベースのBCI（autdBCI）と古典的振動触覚BCI（vtBCI）の性能を比較すること。

提案手法

• 位相配列を用いた超音波トランスデューサーを用い、空気中で焦点を合わせた放射圧を生成し、非線形音響効果により掌に接触なしの触覚を生じさせる。
• 50 Hzで動作する自作AUTDデバイスを用い、振動触覚フィードバックを模倣するように放射圧を変調した。超音波の安全性基準を遵守した。
• 10/10拡張国際システムに従い、Cz、Pz、FPzを基準およびグランド電極として配置した16チャネルのEEGを用い、g.USBampアンプで測定した。
• BCI2000を用いてリアルタイムBCIを実装し、0–800 msのイベント関連電位（ERP）区間に対して段階的線形判別分析（SWLDA）を適用した。
• 刺激時間と刺激間隔を400 msに設定し、1試行あたり15回の平均化を実施。電力線周波数の干渉を除去するため、ノッチフィルタ（48–52 Hz）を適用した。
• 13名の男性被験者を対象にオンライン実験を実施し、掌の6桁のシーケンス入力のためのターゲット位置をランダムに配置した3回のセッションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接触なし空中超音波触覚刺激は、BCI制御に適した信頼性の高い体性感覚脳反応を誘発できるか？
• RQ2 AUTDベースのBCIの分類精度は、古典的振動触覚トランスデューサーを用いたBCIと比較してどのように異なるか？
• RQ3 AUTDを用いて、体性感覚反応の単一試行分類が可能となり、BCI通信速度が向上するか？
• RQ4 感覚障害を有する者、特に閉鎖状態に陥った者にとって、AUTDベースのBCIパラダイムは実用的で実現可能か？

主な発見

• autdBCIは、オフライン解析において平均単一試行分類精度が83.0%を達成し、vtBCIの53.8%を著しく上回った。
• 15試行の平均応答では、autdBCIは63.8%の精度を示したが、vtBCIは69.4%であった。差は統計的に有意ではなかった。
• 最大単一試行精度は、autdBCIで78.3%、vtBCIで84.6%であった。これにより、さらなる最適化の可能性が示された。
• 13名のautdBCI被験者のうち4名が単一試行分類で100%の精度を達成したが、vtBCI条件下では1名のみが100%に到達した。
• autdBCIは単一試行分類に基づき、19.2ビット/分の通信速度を示したのに対し、vtBCIは7.9ビット/分であった。
• 本研究では、接触なしの触覚刺激としてのAUTDが、6コマンドBCI制御に適した検出可能な体性感覚脳反応を信頼性高く誘発できることを確認した。LIS患者にとって衛生的で非侵襲的な代替手段を提供する。