清华、北邮等高校研究人员实现具有 160 个目标的基于 SSVEP 的免校准 BCI 系统

稳态视觉诱发电位(SSVEP) 是一种基于脑电图 (EEG)的 BCI 范式，由于其高信息传输率 (ITR)和对训练数据的低依赖性，得到了很多的关注。通常，当用户注视固定频率的视觉闪烁刺激时，枕骨区域会产生SSVEP信号。一般来说，神经反应由基频振荡和视觉刺激的谐波组成。研究人员通过将不同的频率和相位编码到视觉刺激中，提出了许多基于SSVEP的多目标BCI系统。

传统的基于 SSVEP 的 BCI 包含有限的目标，用户可以连续输入多个字符来刺激一个系统启用多个目标。在实际实验中，用户很难准确、连续地输入。以基于双目标 SSVEP 的 BCI 系统为例，七个连续输入等于 2^7=128个目标。如果整体准确率要保持90%，那么每个输入的平均准确率应该是0.9851，这对很多用户来说是非常困难的。因此，一个实现多个目标的系统是非常有必要的。

先前 BCI的研究主要集中在提高分类准确性和减少刺激持续时间上。然而，这项研究的重点是在无需校准的情况下增加 BCI 系统中可用目标的数量。在本项研究中，受多频率序列编码思想的启发，清华大学的研究人员开发了一种无校准的 SSVEP-BCI 系统，通过四个持续4秒的连续正弦刺激实现160个目标。

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实验数据

本实验的视觉刺激频率为60Hz。 如图 1 所示，监视器以 10 × 16 矩阵的形式呈现 160 个目标，每个刺激以 96x96 像素的正方形呈现。只有在线实验时，界面才会显示输入框和白方块上的黑色字符。 目标组织成 10 行 (0-9) 和 16 列 (A-P)。 具体来说，“A0”方格是第一行的第一个目标，“B0”方格是第一行的第二个目标，“A1”方格是第二行的第一个目标。 实验过程中，被试眼睛与界面中心部分保持60cm的距离。

图1 在线实验的刺激界面

图2 视觉刺激（码字）编码示意图

研究人员使用多频序列编码 (MFSC) 作为编码多个视觉刺激（定义为编码字）的基本协议。一个码字由四个持续一秒钟的连续正弦刺激（定义为码元）组成。本研究选择了八种码元来完成这个码字集，覆盖频率从8Hz到15Hz（从元素'0'到'7'），间隔为1Hz。图 2 展示了不同视觉刺激的组成部分。

图3 优化排列S^*('0'表示8 Hz的刺激，'7'表示15 Hz的刺激)的组成部分，结构与图1相同。

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实验流程与实验结果

为了评估该系统的性能，研究人员使用提示引导的选择任务进行了离线和在线实验。 8 名受试者参加了线下实验，12 名受试者参加了在线实验，实时反馈。

图 4. 检测算法流程图。(A) 原始数据的格式。(B) 正弦模板与码字的关系。(C) 核心分类过程

图 5. 实验程序流程图（离线和在线实验）

离线实验结果如下表1，准确率高于 90% 的subject被突出显示。 在本研究中，ITR 计算的 T 为 4.5 s，其中包含 4 s 用于分析的数据和 0.5 s 用于目标之间的注视。

在线实验结果如表 2 所示，对准确率高于 90% 的受试者进行突出显示。

部分 SSVEP 响应的时频特性。括号中的数字表示并行码字，彩条表示归一化的STFT幅度

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结论

在该项研究中，研究人员通过扩展 MFSC 的思想，设计了一个实现 160 个目标的免校准 SSVEP-BCI 系统。据研究人员表示，该系统是唯一采用超过 100 条命令的免校准 BCI 系统。

本研究为实验范式引入了一种优化方法，12 名受试者中有 7 名达到了高于 90% 的平均识别准确率。在线实验的总平均识别准确率为 87.16 ± 11.46%。结果表明，该协议对于设计包含众多目标的 SSVEP-BCI 是可靠的。

参考信息

Chen Y, Yang C, Ye X, et al. Implementing a calibration-free SSVEP-based BCI system with 160 targets[J]. Journal of Neural Engineering, 2021.