Design and Implementation of a Brain-Computer Interface With High Transfer Rates
译：高传输速率脑机接口的设计与实现
摘要
本文介绍了一种可以帮助用户输入电话号码的脑机接口（BCI）。该系统基于稳态视觉诱发电位（SSVEP）。以不同速率映射的按钮显示在计算机监视器上。这些按钮构成一个虚拟电话键盘，代表十位数0-9，BACKSPACE和ENTER。用户可以通过注视这些按钮来输入电话号码。频率编码的SSVEP用于判断用户想要的按钮。十三个科目中的八个成功地使用该系统振铃移动电话。所有受试者的平均转移率为27.15比特/分钟。该系统的吸引人的特点是无创信号记录，需要很少的训练使用，以及高信息传输率。讨论了改善系统性能的方法。
1 介绍
脑-计算机接口（BCI）是将大脑连接到计算机或另一电子设备的通信通道。BCI的内在特征是它不依赖于大脑周围神经和肌肉的正常输出途径[1]。大脑和计算机之间的通信通道满足两个基本要求：1）有助于区分几种大脑状态的特征; 2）用于实时检测和分类这些特征的方法。现在可以使用各种技术来监测脑功能，例如脑电图（EEG），脑磁图，功能磁共振成像和正电子发射断层扫描。后三种技术在技术上要求高且昂贵。目前，脑电图是BCI实施的最佳选择。
在过去十年中，世界上许多实验室已开始研究BCI，并建立了一些原型系统[1]。这些系统在输入，特征提取和转换算法，输出以及诸如速度，准确度和适当的用户群等其他特征方面差别很大。BCI的典型输入信号包括慢皮质电位[2]， μ 要么 β 记录在感觉运动皮层上的节律[3] - [4] [5]，与不同心理任务相关的脑电图模式[6]，[7]，P300电位[8]，[9]和视觉诱发电位（VEPs）[10] ]，[11]。电极可以放在头皮上或皮质上[10]，[12]，[13]。典型的BCI应用涉及光标移动，字母或图标选择或设备控制。目前，BCI主要用作运动障碍的个体的增强通信技术，例如肌萎缩侧索硬化（ALS）或脑瘫。
若干问题对于进一步发展和扩大BCI技术的利用至关重要。第一个问题是信息传输率。当前的BCI是相对低带宽的设备，最多可提供5-25比特/分钟的最大信息传输速率[1]。以此速率，可能需要几分钟才能将简单的单词输入计算机。如果这个比率可以提高，BCI可能会为所有人提供与环境互动的有用方法。
第二个问题是用户培养能力的培训时间。不依赖外部刺激的BCI提供对环境的直接控制，但这些BCI通常需要大量培训，从几个小时[14]到几个月[6]。基于诱发电位的BCI可能不需要大量培训，但确实需要结构化环境。
第三个问题是医学侵入性。技术侵入性越小，越有可能在各种应用中使用。植入电极提供稳定的位置，无伪影，并具有更高的信噪比（SNR）。但是这种系统的一个难点是如何确定电极的位置和数量。另一个困难是如何使系统长期保持稳定。头皮EEG技术是非侵入性的，但具有相对低的SNR和空间分辨率。
基于上述考虑，我们的兴趣集中在高转移率，最低限度的培训和无创性上。从枕头头皮记录的稳态视觉诱发电位（SSVEP）被用作我们BCI系统的输入。该系统具有关注以特定频率发生的EEG活动的优点。此功能简化了特征提取方法，用户几乎不需要培训。基于SSVEP的BCI属于从属BCI。一个完整的视觉系统是必要的，它将完全致力于基于EEG的通信。
1991年，Skidmore等人。讨论了建立诱发电位视觉跟踪系统的可能性[15]。他们发现双重刺激物体可以产生可分离的反应。在空军研究实验室[16]，[17]中采用了两种使用SSVEP进行控制的方法。首先，训练操作员自我调节SSVEP的幅度，控制是二元的。在第二个中，使用以17.56和23.42Hz调制的两个虚拟按钮来诱导多个SSVEP。
我们已经应用了基于SSVEP的BCI来控制光标移动[18]。在这项工作中，以不同频率照亮的四个按钮代表四个方向; 用户可以通过查看相应的按钮将光标移动到不同的方向。在本文中，我们将介绍基于SSVEP的BCI的新应用，以显示系统提供高传输速率的能力。