[논문 리뷰] Simultaneous induction of SSMVEP and SMR Using a Gaiting video stimulus: a novel hybrid brain-computer interface

Xin Zhang, Guanghua Xu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 30.

EEG and Brain-Computer Interfaces참고 문헌 57인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 후두엽皮質에서 안정상태 운동 시각 유도 반응(SSMVEP)과 체감운동 피질에서의 체감운동 리듬(SMR)을 동시에 유도하는 새로운 보행 자극 영상을 제안한다. SSMVEP 분류에 캐논ical correlation analysis(cca)를, SMR 탐지에 사건 관련 스펙트럼 교란(ersp) 분석을 사용하여, 이 자극은 사분면 SSMVEP 작업에서 88.9%의 분류 정확도를 달성했으며, 특히 SSMVEP 정확도가 높은 참가자들에서 유의미하고 지속적인 사건 관련 탈조화(erd)를 유도하였다. 이는 신경재활 분야의 하이브리드 BCI 응용에 이중 뇌 활성화 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

We proposed a novel visual stimulus for brain-computer interface. The stimulus is in the form gaiting sequence of a human. The hypothesis is that observing such a visual stimulus would simultaneously induce 1) steady-state motion visual evoked potential (SSMVEP) in the occipital area, similarly to an SSVEP stimulus; and 2) sensorimotor rhythm (SMR) in the primary sensorimotor area, because such action observation (AO) could activate the mirror neuron system. Canonical correlation analysis (CCA) was used to detect SSMVEP from occipital EEG, and event-related spectral perturbations (ERSP) were used to identify SMR in the EEG from the sensorimotor area. The results showed that the proposed visual gaiting stimulus-induced SSMVEP, with classification accuracies of 88.9 $\pm$ 12.0% in a four-class scenario. More importantly, it induced clear and sustained event-related desynchronization/synchronization (ERD/ERS) in the EEG from the sensorimotor area, while no ERD/ERS in the sensorimotor area could be observed when the other two SSVEP stimuli were used. Further, for participants with sufficiently clear SSMVEP pattern (classification accuracy > 85%), the ERD index values in mu-beta band induced by the proposed gaiting stimulus were statistically different from that of the other two types of stimulus. Therefore, a novel BCI based on the proposed stimulus has potential in neurorehabilitation applications because it simultaneously has the high accuracy of an SSMVEP (~90% accuracy in a four-class setup) and the ability to activate sensorimotor cortex. And such potential will be further explored in future studies.

연구 동기 및 목표

• 더 나은 신경재활 응용을 위해 동시에 SSMVEP와 SMR을 유도하는 하이브리드 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 개발하기 위해.
• 보행 영상 자극을 관찰할 경우 후두엽 피질에서 SSMVEP와 체감운동 피질에서 SMR이 유도되는지 조사하기 위해.
• 기존의 SSVEP 깜빡임 자극과 체크어웃 모션 자극과 비교하여 보행 자극이 유도하는 뇌 반응을 비교하기 위해.
• 개별 참가자의 SMR 활성화 강도를 예측하는 데 SSMVEP 분류 정확도가 유용한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 16개의 인간 보행 프레임을 순차적으로 사용하여 보행 영상 자극을 제작하였으며, 60 Hz 화면 갱신 주기에서 다양한 프레임 지속 시간을 적용하여 다른 걸음 주파수를 인코딩하였다.
• 최적화된 템플릿 신호(기본 주파수, 프레임 속도, 사이드밴드(합 및 차주파수))를 사용하여 캐논컬 코herence 분석(cca)을 통해 SSMVEP를 검출하였다.
• 체감운동 피질에서의 mu(8–13 Hz) 및 베타(13–30 Hz) 대역에서의 사건 관련 탈조화(erd)를 계산하기 위해 사건 관련 스펙트럼 교란(ersp) 분 析를 사용하여 SMR를 정량화하였다.
• 자극 특이 효과를 분리하기 위해 참가자들을 네 가지 조건(깜빡임 관찰, 체크어웃 운동 관찰, 보행 영상 관찰, 보행 영상 관찰 + 운동 상상)에서 테스트하였다.
• erd 지수는 기준 대비 자극 제시 기간 동안 mu-베타 대역에서의 평균 파wer 감소로 계산되었다.
• 보행 자극과 두 개의 대조 자극 간의 erd 지수를 비교하여 SMR 활성화의 차이를 평가하기 위해 통계적 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보행 영상 자극이 후두엽 피질에서 검출 가능한 SSMVEP와 체감운동 피질에서 SMR을 동시에 유도할 수 있는가?
• RQ2 기존의 SSVEP 깜빡임 자극과 체크어웃 운동 자극보다 보행 자극이 더 강한 SMR(erd로 측정)을 유도하는가?
• RQ3 보행 자극에 의해 유도된 SSMVEP 분류 정확도와 SMR 활성화 강도(erd 지수) 사이에 상관관계가 있는가?
• RQ4 SSMVEP 분류 성능이 개인의 보행 자극에 대한 SMR 유도 능력을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 보행 자극은 사분면 주파수 구분 작업에서 평균 SSMVEP 분류 정확도 88.9 ± 12.0%를 달성하였다.
• SSMVEP 분류 정확도가 85% 이상인 참가자들은 깜빡임 및 체크어웃 자극에 의해 유도된 것보다 유의미하게 높은 mu-베타 대역의 erd 지수를 보였다.
• 명확하고 지속적인 사건 관련 탈조화(erd)는 오직 보행 자극에서만 체감운동 피질에서 관찰되었으며, 다른 두 가지 SSVEP 자극에서는 관찰되지 않았다.
• 연구에서는 SSMVEP 분류 정확도와 SMR 활성화 강도 사이에 유의미한 양의 상관관계를 발견하여, SSMVEP 성능이 개인의 SMR 유도 잠재력 예측에 도움이 될 수 있음을 시사하였다.
• ersp 분석 결과, 보행 자극은 mu 및 베타 대역에서 구분되는 erd 패턴을 유도하여 거울 뉴런 시스템의 활성화를 시사하였다.
• 결과적으로 보행 자극은 높은 SSMVEP 정확도와 강력한 SMR 유도 능력을 동시에 갖추고 있어, 이중 뇌 조절 잠재력을 지닌 새로운 하이브리드 BCI를 가능하게 하였다.