[논문 리뷰] Multi-command Tactile and Auditory Brain Computer Interface based on Head Position Stimulation

Hiromu Mori, Yoshihiro Matsumoto외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 27.

EEG and Brain-Computer Interfaces참고 문헌 4인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 6개의 별도된 머리 위치에 진동각성 자극을 제공하여 병합된 체감성 및 뼈전도 청각 뇌 반응을 유도하는 다명령 촉각 및 청각 뇌-컴퓨터 인터페이스(taBCI)를 제안한다. 이 시스템은 실시간 작동이 가능하며 타당한 정보 전송 속도를 달성하여 머리 위치 기반 자극이 다중모달 BCI 응용 분야에 실현 가능하다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 머리 위치 기반의 진동각성 자극을 다중모달 뇌-컴퓨터 인터페이스 플랫폼으로 사용할 수 있는지 탐색한다.
• 머리에 장착된 진동기에서 유도되는 뼈전도가 동시에 청각 뇌 반응과 체감성 반응을 유도할 수 있는지 조사한다.
• 다양한 머리 위치를 통해 다수의 명령어를 구현할 수 있는 시스템을 개발하여 BCI 명령어 용량을 향상시킨다.
• 실시간 온라인 작동 조건에서 taBCI 개념을 인간 피실험자 대상으로 검증한다.
• 제안된 BCI 시스템의 핵심 성능 지표로 정보 전송 속도를 평가한다.

제안 방법

• 피실험자의 머리에 기계적 결합을 통해 두개골에 영향을 주는 6개의 별도된 머리 위치에 진동각성 자극을 제공하였다.
• 각 머리 위치에 20 Hz의 진동각성 자극을 적용하여 삼차신경 및 경추 경로를 통해 체감성 반응을 유도하였다.
• 진동기에서 발생하는 뼈전도로 청각 뇌 반응이 유도되어 외부 loudspeaker 없이 이중 모달 자극을 구현하였다.
• 각 머리 위치 및 자극 조건에 해당하는 사건 관련 임펄스(ERP)를 탐지하기 위해 EEG 신호를 기록하였다.
• 실시간으로 뇌 반응을 해독하기 위해 분류 알고리즘을 적용하여 온라인 명령어 선택을 가능하게 하였다.
• 응답 신뢰성과 명령률을 균형 있게 유지하기 위해 중간 속도의 자극 간격(ISI)을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동각성 자극과 함께 별도의 머리 위치가 신뢰성 있게 구분 가능한 뇌 반응을 유도할 수 있는가?
• RQ2 머리에 부착된 진동기에서 유도되는 진동각성 자극이 뼈전도를 통해 청각 뇌 반응을 감지할 수 있을 정도로 유발되는가?
• RQ3 병합된 촉각 및 청각 자극을 사용하여 머리 위치를 제어 매개변수로 활용한 다명령 BCI를 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ4 이러한 접근 방식을 사용한 온라인 taBCI 시스템에서 달성 가능한 정보 전송 속도는 얼마인가?
• RQ5 중간 속도의 자극 간격에서 실시간 작동 조건에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• taBCI 시스템은 6개의 별도된 머리 위치를 명령 입력으로 사용하여 온라인 작동을 성공적으로 구현하였다.
• 각 머리 위치에 대해 유의미하게 구분 가능한 뇌 반응이 유도되어 신뢰성 있는 신경 해독이 가능하다는 것을 나타냈다.
• 머리에 장착된 진동기에서 유도된 뼈전도 효과로 체감성 반응 외에도 측정 가능한 청각 뇌 반응이 발생하였다.
• 시스템은 타당한 정보 전송 속도를 달성하여 제안된 접근 방식의 실용적 잠재력을 입증하였다.
• 촉각 및 청각 자극의 병합을 머리 위치를 통해 제공함으로써 저복잡도의 하드웨어로도 강력한 다중모달 BCI 인터페이스를 제공하였다.
• 결과적으로 머리 위치를 BCI 시스템의 제어 매커니즘으로 사용할 수 있다는 개념을 검증하였으며, 확장 가능하고 직관적인 인터페이스를 제공한다.