[논문 리뷰] Auditory Steady-State Response Stimuli based BCI Application - The Optimization of the Stimuli Types and Lengths

Yoshihiro Matsumoto, Nozomu Nishikawa외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 10.

EEG and Brain-Computer Interfaces참고 문헌 8인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 응용을 위해 청각 정적 반응(ASSR) 자극을 최적화하기 위해 다양한 길이에서 진폭변조(AM), 플러터, AM/FM, 클릭엔벨롭 변조된 음성 신호를 시험한다. EEG의 쌍별 위상일치도(PLV)와 이진 분류를 사용하여, 3초 길이의 자극이 높은 분류 정확도(개별 사용자 최적화 시 평균 78%)를 달성하는 것으로 나타났으며, 0.5초 길이의 자극은 신뢰할 수 있는 검출에 부적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 개별 사용자에게 최적화된 자극 유형과 길이를 통해 청각 BCI(aBCI)의 분류 정확도를 향상시키기 위해.
• 0.5초까지 단축된 자극이 신뢰할 수 있는 분류가 가능한 ASSR 반응을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 기존의 SAM 기반 자극과 비교하여 다양한 변조 유형—AM, 플러터, AM/FM, 클릭엔벨롭—의 성능을 평가하기 위해.
• 개별 사용자별 자극 선호도가 분류 정확도에 유의미한 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 더 높은 정보 전송 속도를 가진 실시간 aBCI 응용을 위한 최적화된 자극의 실현 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• 진폭변조(AM), 플러터(교차된 AM), AM/FM, 클릭엔벨롭 변조된 음성 신호의 네 가지 변조 유형을 사용하였다.
• 헤드폰을 통해 왼쪽/오른쪽 채널에 자극을 제공하면서 5명의 피험자에게 0.5초에서 3초의 자극 제시를 수행하고 EEG 반응을 기록하였다.
• 전극 쌍 간의 EEG 신호에서 쌍별 위상일치도(PLV)를 계산하여 위상 일치 신경 반응을 추출하였다.
• PLV 특징을 기반으로 청취(타겟) 및 무시(비타겟) 자극을 구분하기 위해 이진 분류기(NBC)를 사용하였다.
• 모든 피험자와 자극 조건에서의 분류 성능를 평가하기 위해 떼어내기 교차검증(leave-one-out cross-validation)을 적용하였다.
• 각 피험자별로 가장 높은 성능를 보인 자극 유형을 선택하여 최적화하고, 모든 피험자 평균 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5초 길이의 자극으로도 ASSR 기반 aBCI가 신뢰할 수 있는 분류를 달성할 수 있는가?
• RQ2 AM, 플러터, AM/FM, 클릭엔벨롭 중 어느 변조 유형이 개별 피험자에게 가장 높은 분류 정확도를 제공하는가?
• RQ3 일정한 자극 길이에서 분류 정확도가 포화 상태에 도달하는지, 만약 그렇다면 어느 길이에서 도달하는가?
• RQ4 개별 사용자별 반응 변동성이 최적의 자극 유형과 길이 선택에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 개별 최적화된 자극을 통해 기존의 SAM 기반 자극을 초월해 전체 분류 정확도를 유의미하게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 0.5초 길이의 자극은 정확도가 우연의 수준을 略로 넘어서는 수준이었으며, 실용적 BCI 사용에 부적합한 신뢰성 부족을 시사한다.
• 분류 정확도는 자극 길이가 길어질수록 단조롭게 증가하였으며, 3초에서 포화 효과가 관찰되었다.
• 기존의 SAM 자극의 평균 분류 정확도는 70%였지만, 각 피험자별로 가장 우수한 자극 유형을 선택한 결과 평균 정확도는 78.00%로 상승하였다.
• 5명의 피험자 중 3명은 SAM 자극이 가장 높은 개별 정확도를 기록했지만, 한 명의 피험자는 AM/FM 및 클릭엔벨롭 자극에서 가장 높은 성능를 보였다.
• 결과적으로 캐리어 주파수와 변조 유형이 개인별 ASSR 반응에 중대한 영향을 미치며, 강한 개인별 의존성이 있음을 시사한다.
• 본 연구는 개인별 최적화—즉, 변조 유형, 길이, 경우에 따라 전극 배치까지 고려한 선택—가 aBCI 성능을 상당히 향상시킬 수 있음을 확인한다.