[論文レビュー] Multi-command Tactile and Auditory Brain Computer Interface based on Head Position Stimulation

Hiromu Mori, Yoshihiro Matsumoto+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2013

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 4被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、6つの異なる頭部位置に振動刺激を適用することで、併存する somatosensory 応答と骨伝音聴覚脳応答を誘発する、マルチコマンド型の触覚および聴覚脳インターフェース（taBCI）を提案する。本システムは、実用的な情報伝送レートを達成し、オンライン動作を実現しており、マルチモーダル BCI 応用における頭部位置ベースの刺激法の実現可能性を示している。

ABSTRACT

We study the extent to which vibrotactile stimuli delivered to the head of a subject can serve as a platform for a brain computer interface (BCI) paradigm. Six head positions are used to evoke combined somatosensory and auditory (via the bone conduction effect) brain responses, in order to define a multimodal tactile and auditory brain computer interface (taBCI). Experimental results of subjects performing online taBCI, using stimuli with a moderately fast inter-stimulus interval (ISI), validate the taBCI paradigm, while the feasibility of the concept is illuminated through information transfer rate case studies.

研究の動機と目的

• 頭部位置に基づく振動刺激を、マルチモーダル脳インターフェースの基盤として使用する可能性を検討すること。
• 頭部に装着されたバイブレーターからの骨伝音が、同時に somatosensory 応答と聴覚脳応答を誘発できるかどうかを調査すること。
• 異なる頭部位置を用いて複数のコマンドを可能にするシステムを開発し、BCI のコマンド容量を向上させること。
• 人間被験者を用いた実時間でのオンライン動作において、taBCI パラダイムを検証すること。
• 提案された BCI システムの主要なパフォーマンス指標としての情報伝送レートを評価すること。

提案手法

• 被験者の頭部に、頭蓋骨への機械的結合を活用して、6つの異なる頭部位置に振動刺激を適用した。
• 20 Hz の振動刺激を各頭部位置に適用し、三叉神経および頸部経路を介して somatosensory 応答を誘発した。
• バイブレーターからの骨伝音が聴覚脳応答を生成し、外部スピーカーを用いずに二重モダリティの刺激を実現した。
• 各頭部位置および刺激条件に対応するイベント関連電位（ERP）を検出するために、EEG信号を記録した。
• リアルタイムで脳応答をデコードするための分類アルゴリズムを適用し、オンラインコマンド選択を可能にした。
• 応答の信頼性とコマンドレートの両立を図るため、中程度の速さの刺激間隔（ISI）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 振動刺激を併用した場合、明確に区別可能な脳応答が、異なる頭部位置から得られるか？
• RQ2 頭部に装着された振動刺激が、骨伝音を介して検出可能な聴覚脳応答を、somatosensory 応答とともに生成するか？
• RQ3 頭部位置を制御モダリティとして用い、触覚および聴覚刺激を併用することで、マルチコマンド BCI を効果的に実装できるか？
• RQ4 この手法を用いたオンライン taBCI システムで達成可能な情報伝送レートはどの程度か？
• RQ5 中程度の速さの刺激間隔（ISI）において、実時間動作下でのシステムの性能はいかがなものか？

主な発見

• taBCI システムは、6つの異なる頭部位置をコマンド入力として使用し、オンライン動作を成功裏に実現した。
• 各頭部位置に対して顕著に区別可能な脳応答が誘発され、信頼性の高い神経デコードが可能であることが示された。
• 頭部に装着されたバイブレーターからの骨伝音効果により、somatosensory 応答に加えて測定可能な聴覚脳応答が得られた。
• 実用的な情報伝送レートが達成され、提案手法の実用的潜在可能性が裏付けられた。
• 頭部位置を介した触覚および聴覚刺激の組み合わせにより、低ハードウェア複雑性の強固なマルチモーダル BCI インターフェースが実現された。
• 頭部位置をBCIシステムの制御メカニズムとして使用するという概念が、スケーラブルで直感的なインターフェースを提供するという点で、結果が検証された。