[论文解读] 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 23

一句话总结

本文提出了一种多指令触觉与听觉脑-计算机接口（taBCI），通过在六个不同的头部位置施加振动触觉刺激，诱发结合的躯体感觉与骨导听觉脑响应。该系统实现了在线运行，并达到了可行的信息传输速率，证明了基于头部位置的刺激在多模态BCI应用中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 探索基于头部位置的振动触觉刺激作为多模态脑-计算机接口平台的可行性。
• 研究安装在头部的振动器通过骨导是否能同时诱发听觉脑响应与躯体感觉响应。
• 开发一种通过不同头部位置实现多指令输入的系统，以增强BCI的指令容量。
• 在真实人类受试者中验证taBCI范式在实时在线运行中的有效性。
• 将信息传输速率作为关键性能指标，评估所提出的BCI系统的性能。

提出的方法

• 使用六个不同的头部位置向受试者头部施加振动触觉刺激，利用与颅骨的机械耦合。
• 在每个头部位置施加频率为20 Hz的振动触觉刺激，通过三叉神经与颈神经通路诱发躯体感觉响应。
• 振动器产生的骨导效应引发听觉脑响应，实现无需外部扬声器的双模态刺激。
• 记录EEG信号以检测与每个头部位置及刺激条件相对应的事件相关电位（ERPs）。
• 应用分类算法实时解码脑响应，实现在线指令选择。
• 系统采用中等快速的刺激间隔（ISI），以平衡响应可靠性与指令速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在结合振动触觉刺激的情况下，不同头部位置是否能可靠地诱发可区分的脑响应？
• RQ2 施加于头部的振动触觉刺激在多大程度上能通过骨导产生可检测的听觉脑响应？
• RQ3 能否通过结合触觉与听觉刺激，利用头部位置作为控制模态，有效实现多指令BCI？
• RQ4 采用此方法的在线taBCI系统可实现的信息传输速率是多少？
• RQ5 在中等快速的刺激间隔下，系统在实时运行中的表现如何？

主要发现

• taBCI系统成功实现了以六个不同头部位置作为指令输入的在线运行。
• 每个头部位置均诱发了显著可区分的脑响应，表明神经解码具有可靠性。
• 安装在头部的振动器产生的骨导效应，除躯体感觉响应外，还产生了可测量的听觉脑响应。
• 系统达到了可行的信息传输速率，证明了该方法的实际潜力。
• 通过头部位置实现的触觉与听觉刺激结合，提供了一种低硬件复杂度的稳健多模态BCI接口。
• 结果验证了将头部位置作为BCI系统控制机制的概念，提供了一种可扩展且直观的接口。