[論文レビュー] Auditory Steady-State Response Stimuli based BCI Application - The Optimization of the Stimuli Types and Lengths

Yoshihiro Matsumoto, Nozomu Nishikawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2012

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 8被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、脳-コンピュータインターフェース（BCI）用途における聴覚定常刺激応答（ASSR）の最適化を目的とし、さまざまな長さのAM、フラッタ、AM/FM、およびクリックエンVELOPE変調音を用いて検証した。EEGからのペアワイズ位相ロック値（PLV）と2値分類を用い、3秒の刺激が被験者ごとに最適化された場合に平均78%の高い分類精度を達成することを示した。一方、0.5秒の刺激は信頼できる検出に不十分であることが判明した。

ABSTRACT

We propose a method for an improvement of auditory BCI (aBCI) paradigm based on a combination of ASSR stimuli optimization by choosing the subjects' best responses to AM-, flutter-, AM/FM and click-envelope modulated sounds. As the ASSR response features we propose pairwise phase-locking-values calculated from the EEG and next classified using binary classifier to detect attended and ignored stimuli. We also report on a possibility to use the stimuli as short as half a second, which is a step forward in ASSR based aBCI. The presented results are helpful for optimization of the aBCI stimuli for each subject.

研究の動機と目的

• 被験者ごとに最適化された刺激タイプと長さを用いることで、聴覚BCI（aBCI）における分類精度を向上させること。
• 0.5秒までの短い刺激が、信頼性のある分類可能なASSR応答を誘発できるかどうかを調査すること。
• 従来のSAMと比較して、AM、フラッタ、AM/FM、およびクリックエンVELOPE変調の多様な変調タイプの性能を評価すること。
• 被験者固有の刺激好みが分類精度に顕著に影響を与えるかどうかを検討すること。
• 最適化された刺激を用いた実用的でリアルタイムなaBCIアプリケーションの実現可能性を検討すること、特に情報伝送レートの向上を目指すこと。

提案手法

• 4種類の変調タイプ（振幅変調（AM）、フラッタ（交互に変調されたAM）、AM/FM、クリックエンVELOPE変調音）を用いた。
• ヘッドフォンを介して左・右の耳に刺激を提示し、被験者5名のEEG応答を0.5秒から3秒の刺激長さで記録した。
• 電極ペア間のEEG信号からペアワイズ位相ロック値（PLV）を計算し、位相ロックされた神経応答を抽出した。
• PLV特徴に基づいて、注意を向けた（ターゲット）と無視された（ノンターゲット）刺激を区別するための2値分類器（NBC）を用いた。
• 被験者および刺激条件ごとに分類性能を評価するため、1人を除いた交差検証（leave-one-out cross-validation）を適用した。
• 被験者ごとに最も高い性能を示した刺激タイプを選択し、全被験者における平均性能を評価することで、刺激を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5秒の短い刺激でも、ASSRに基づくaBCIが信頼性のある分類を達成できるか？
• RQ2 AM、フラッタ、AM/FM、クリックエンVELOPEのうち、どの変調タイプが個々の被験者において最高の分類精度をもたらすか？
• RQ3 分類精度が特定の刺激長さで飽和するか。もしそうなら、どの長さで飽和するか？
• RQ4 被験者固有の応答ばらつきが、最適な刺激タイプおよび長さの選定にどのように影響するか？
• RQ5 個人に合わせた刺激最適化が、従来のSAMベースの刺激を上回る全体的な分類精度を顕著に向上させられるか？

主な発見

• 0.5秒の刺激では、偶然よりわずかに高い分類精度にとどまり、実用的BCI用途には不十分な信頼性であることが示された。
• 分類精度は刺激長が延びるにつれて単調に向上し、3秒で飽和効果が観察された。
• 従来のSAM刺激の平均分類精度は70%であったが、被験者ごとに最も良い刺激タイプを選択した場合、平均精度は78.00%に上昇した。
• 5名の被験者のうち3名ではSAM刺激が最も高い個別精度を示したが、1名の被験者はAM/FMおよびクリックエンVELOPE刺激で最高の成績を上げた。
• 結果から、キャリア周波数および変調タイプが個々のASSR応答に顕著に影響を与えることが示され、被験者依存性が強いことが明らかになった。
• 本研究は、個別に最適化された刺激（変調タイプ、長さ、さらには電極配置の可能性を含む）を用いることで、aBCI性能を顕著に向上させられることを確認した。