[論文レビュー] Spatial Auditory BCI Paradigm Utilizing N200 and P300 Responses

Zhenyu Cai, Shoji Makino+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2012

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、従来のP300応答に加えて、早期聴覚ERP成分（特にN200およびP300応答）を活用することで分類精度と情報伝送速度（ITR）を向上させる、画期的な空間的聴覚BCIパラダイムを提案する。また、対側および同側聴覚応答の差に着目した新しいN2apc特徴量を導入している。N200およびP300の遅延を組み合わせることで、分類精度が最大7%向上し、ITRも最大7 bit/min向上した。早期発現の聴覚ERP差が、より速く、より効率的な非視覚的BCIシステムに有効であることが示された。

ABSTRACT

The paper presents our recent results obtained with a new auditory spatial localization based BCI paradigm in which the ERP shape differences at early latencies are employed to enhance the traditional P300 responses in an oddball experimental setting. The concept relies on the recent results in auditory neuroscience showing a possibility to differentiate early anterior contralateral responses to attended spatial sources. Contemporary stimuli-driven BCI paradigms benefit mostly from the P300 ERP latencies in so called "aha-response" settings. We show the further enhancement of the classification results in spatial auditory paradigms by incorporating the N200 latencies, which differentiate the brain responses to lateral, in relation to the subject head, sound locations in the auditory space. The results reveal that those early spatial auditory ERPs boost online classification results of the BCI application. The online BCI experiments with the multi-command BCI prototype support our research hypothesis with the higher classification results and the improved information-transfer-rates.

研究の動機と目的

• 従来のP300応答にとどまらず、早期聴覚ERP成分を活用することで非視覚的BCIの性能を向上させること。
• N200成分、特にN2ac（前頭対側）応答が、空間的聴覚BCIパラダイムにおけるターゲット検出を向上させることを検証すること。
• 同側および対側聴覚誘発電位の比較に基づいて開発した新しいERP特徴量N2apcを、分類性能の向上を目的として開発・評価すること。
• 最適化された特徴選択と遅延に基づく分類により、聴覚BCIシステムにおける情報伝送速度（ITR）を向上させること。
• 乾燥状態のEEG電極とリアルタイム分類を用いて、オフラインおよびオンライン設定での提案されたsaBCIパラダイムの有効性と耐性を検証すること。

提案手法

• 被験者頭部の1メートル半径に6台の loudspeakers を配置し、側方音刺激を提供する空間的聴覚オッズボールパラダイムを採用する。
• g.SAHARA乾燥電極とg.USBampアンプを用いてEEG信号を記録し、256 Hzのサンプリング周波数と50 Hzのノッチフィルタを適用する。
• N200（約200 ms）およびP300（約300 ms）の遅延におけるERP特徴量を抽出し、t検定を用いてターゲット応答と非ターゲット応答の有意差を評価する。
• parietal電極における対側応答と同側応答の比較により、新しい特徴量N2apcを生成し、早期空間的識別を捉える。
• 分類にはナイーブベイズ分類器（NBC）を用い、1人を除いての交差検証法（leave-one-out cross-validation）を適用して性能を評価する。
• 情報伝送速度（ITR）は、標準的な式 R = log₂N + C·log₂C + (1−C)·log₂((1−C)/(N−1)) を用いて計算し、bit/min単位のレート B = V·R を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N200成分、特にN2ac応答を用いることで、P300応答に依存する場合と比較して、空間的聴覚BCIにおける分類精度が向上するか？
• RQ2 N200およびP300の遅延を組み合わせることで、聴覚BCI環境において分類性能およびITRに顕著な向上が見られるか？
• RQ3 同側および対側ERP応答の比較に基づくN2apc特徴量は、空間的聴覚BCIパラダイムにおけるターゲット識別を向上させられるか？
• RQ4 早期発現の聴覚ERP成分を組み込むことで、非視覚的BCIシステムにおける情報伝送速度はどの程度向上するか？
• RQ5 乾燥電極と最小限の被験者移動を伴う条件下で、提案されたsaBCIパラダイムはオフラインおよびオンラインの実験設定においても頑健で効果的であるか？

主な発見

• N200およびP300ERP特徴量の組み合わせにより、単独で使用する場合と比較して分類精度が最大7%向上した。唯一の被験者を除き、すべての被験者で向上が確認された。
• 対側および同側ERP応答の比較に基づくN2apc特徴量は、最良の状況下で分類精度を最大17%向上させた。
• N200/P300特徴量の組み合わせを用いることで、情報伝送速度（ITR）が最大7 bit/min向上した。これは、より速く、より効率的なBCI通信を可能にする。
• N2apcに基づくパラダイムは、大多数の被験者で顕著なITR向上を示し、早期発現の空間的聴覚ERP差の価値を裏付けた。
• 乾燥状態のg.SAHARA電極と最小限の被験者移動により、EMGノイズが低減され、信頼性の高いERP記録と信号品質の向上が達成された。
• 結果から、300 ms未満の早期聴覚ERP成分が、BCI分類に有用であるだけでなく、検出可能であることが確認された。これにより、より速く、より正確なターゲット選択が可能となった。