導讀
這篇文章讨論了一種完全可定制晶片版LED設計，該設計可同時激發兩個大腦反應(穩态視覺誘發電位--SSVEP和瞬态誘發電位--P300)。考慮到腦機接口（BCI）中可能的不同模式，SSVEP由于需要較少的腦電圖(EEG)電極和最小的訓練時間而被廣泛接受。這項工作的目的是設計一個混合BCI硬體平台，以精确地喚起SSVEP和P300，進而減少疲勞并提高分類性能。該系統包括四個獨立的徑向綠色視覺刺激，它們由一個32位的微控制器平台分别控制，以激發SSVEP以及四個随機間隔閃爍的紅色LED，用于生成P300事件。系統還可以記錄可用于分類的P300事件時間戳，以提高準确性和可靠性。通過控制樂高機器人在四個方向上的移動，測試了混合刺激的實時分類準确率。
大多數BCI平台使用單一的EEG模式，這可能不适用于所有使用者，并且還可能産生錯誤的識别。近年來，通過使用多種範式來提高控制外部應用程式的準确性和速度來增強BCI系統。
研究人員通過大量的調研發現之前的研究已經證明了同時檢測P300成分和SSVEP活性的可能性。 P300和SSVEP刺激的大多數硬體都是基于計算機螢幕，而計算機螢幕受到螢幕重新整理率的限制，這導緻了其便攜性較低，而且易引起參與者視覺疲勞。
在這項研究中，研究者設計了一種完全便攜式的混合系統，以高精度的專用硬體平台喚起P300和SSVEP。在此混合硬體中，SSVEP被用作主要響應，P300被用作分類中的糾正機制。在這項研究中，四個獨立晶片上的綠色LED徑向刺激被用于SSVEP激發，該激發由微控制器平台單獨控制以産生精确的閃爍頻率。
圖1.1 基于SSVEP和P300的混合BCI平台
刺激平台由獨立的控制系統控制，如圖1.1所示。4個用于誘發SSVEP的輻射狀綠色刺激由4個Teensy 32位微控制器子產品控制，4個用于P300的紅色刺激由單獨的Teensy子產品控制。Teensy還将每個flash的閃爍事件标記分别發送給錄制軟體。
硬體描述
對于多SSVEP誘發，使用4個獨立的Teensy微控制器平台在綠色徑向刺激下産生閃爍頻率7、8、9和10 Hz。在每個徑向環内放置大功率紅色LED喚起P300事件，并與SSVEP腦電圖資料一起标記為事件。出現紅色閃爍時，由單個Teensy子產品控制随機計時。閃爍事件作為串行資料從微控制器傳輸到EEG記錄軟體。
研究人員在一項研究中[16]發現，精确生成的SSVEP的每個閃爍頻率的占空比為85％，因為該占空比可以提供最高的性能。是以，研究者使用大功率MOSFET（A09T）通過關斷調節器MP1584驅動LED刺激，以提供3A的恒定電流源，進而在整個實驗過程中提供最佳的亮度。調節器的設計如圖1.2所示。
圖1.2 用于視覺刺激的調節器設計
整個硬體使用12 V 10A電池電源供電，以避免任何電源幹擾。SSVEP徑向刺激的完整示意圖如圖1.3所示。
圖1.3 SSVEP徑向刺激設計
在這項研究中使用了具有相同設計的四個子產品，并為分類程式設計了不同的閃爍頻率。開發了用于産生閃爍的固件，并使用數字示波器驗證了閃爍精度。四種頻率波形如圖1.4和1.5所示。刺激位置和布局如圖1.6所示。
圖1.4 占空比為85％時的7 Hz和8 Hz刺激頻率
圖1.5 占空比為85％時的9 Hz和10 Hz激勵頻率
圖1.6 混合刺激LED放置
為了誘發P300成分，使用紅色LED生成了4次随機閃光，并将閃光事件時間标記分别發送到資料記錄軟體。然後使用串行通信（Rx和Tx）将來自微控制器的事件标記傳送到計算機。使用MAX3232将單片機的TTL電平轉換為RS232.
如前所述，紅色LED驅動器電路是使用大電流設計的。P300閃光器和事件标記物的完整示意圖如圖1.7所示。
随機閃爍四個紅色LED計時将時間标記值發送給EMOTIV測試台軟體。對于位于徑向環内部的LED，分别将7、8、9和10 Hz标記為111、112、113、114，并且在記錄時将這些值一起作為單獨的通道存儲在EEG資料中。圖1.8顯示了帶有EEG資料和标記事件的Testbench軟體。随機閃光時間設定在200到800毫秒之間。在發送器和接收器側，串行通信波特率值均設定為115,200。
制作說明
硬體組裝
該系統包括兩種刺激設計，一種用于SSVEP誘發，另一種用于誘發P300。對于SSVEP，有4個單獨的子產品可精确産生4種不同的頻率7,8,9和10Hz。每個Teensy子產品都使用已開發的固件進行了程式設計,以實作所需的閃爍頻率。并且MP1584調節器的輸出設定為大約10.6 V DC，并如上圖1.3所示連接配接至徑向激勵器。同樣，對其他三個Teensy子產品進行了程式設計和接線。
圖1.7 P300刺激和事件标記
對于P300，如圖1.7所示，紅色LED連接配接到Teensy子產品的四個輸出pin(引腳)，并且LED放置在每個COB環的中心。MP1584輸出需要設定為2.8 V DC，以獲得紅色LED的最佳亮度。為了進行串行通信，需要将Teensy子產品(Tx)的pin 1連接配接到MAX3232 pin13，即串行資料接收Rx。可以看一下Testbench軟體和事件标記，如下圖所示。
圖1.8 Testbench 軟體和事件标記
程式設計
Teensy子產品可以使用開源Arduino IDE通過USB端口直接程式設計。IDE安裝程式可以從網際網路下載下傳(www.arduino.cc)，需要安裝來加載固件。每個微小子產品需要與所選刺激位置所需的固件單獨程式設計。從頂部COB LED激勵沿逆時針方向開始，以7、8、9和10 Hz對樣機進行程式設計。
原型樣機
樣機如圖1.9所示。為避免A3尺寸（21厘米x 29.7厘米）的光反射，基闆由有機玻璃制成，表面為黑色磨砂。使用雙面膠帶将P300 LED固定在圓環的中心，并連接配接到闆背面的硬體。徑向COB環焊接有細軟線，用于連接配接MOSFET驅動器。使用雙面膠帶将環固定在如下圖所示的位置。
圖1.9 原型
控制硬體建立在通用PCB上，該PCB具有5個28針IC插座，元件按照圖1.3和圖1.7的原理圖用單股線連接配接。
EEG記錄過程從7 Hz刺激開始，持續3秒鐘，然後當參與者将目光從閃爍的刺激轉移開時休息五秒鐘。随後是頻率為8、9和10 Hz的刺激，然後相同的休息時間，以完成一個完整的會話。每個參與者記錄了五個會話，其中包含SSVEP和P300事件的EEG資料。每個頻率和休息時間的刺激時序如下圖所示。
圖1.10 刺激時序圖
時序圖上的3秒是參與者注意每種刺激的焦點時間，五秒表示從一個刺激到下一個刺激的轉換順序之間的休息時間。使用EEGLAB将以EDF格式記錄的EEG資料轉換為MATLAB格式。然後在MATLAB中編寫程式以處理來自SSVEP和P300事件檢測的資料，以評估混合刺激。
下圖顯示了使用這種混合BCI進行樂高控制的照片。
圖1.11 使用混合BCI控制樂高
資料分析
對于SSVEP分析，在每個頻率所需的三秒鐘時間段内，從通道O2提取資料，并将其存儲以進行進一步處理。對于SSVEP資料分類，分析了主頻率以及一次和二次諧波。用中心頻率為激勵頻率的2 Hz帶寬的帶通濾波器對存儲的EEG資料進行濾波。這是針對所有主頻率及其諧波執行的。計算每個濾波資料的方差（這代表信号的能量），該方差包括主頻率，并添加了兩個諧波并存儲起來用于分類分析。
對于P300分析，從通道F4提取了資料以及四個事件标記。事件标記設定為111表示7 Hz，222表示8 Hz，333表示9 Hz，444表示10 Hz。對于與SSVEP分析中相同的時間範圍（與參與者關注刺激之前的時間範圍一樣），該算法檢查事件标記以在距事件标記600毫秒内找到峰值。對四個頻率的所有四個标記執行此操作。存儲所需時間視窗中所有頻率的峰值，以分析分類準确性。
結果
研究者在這項研究中探索了将兩種EEG範式結合起來以開發混合BCI視覺刺激硬體的可能性，這些硬體可以減少視覺刺激的聚焦時間并允許良好的單次試驗分類輸出。所開發的獨立混合刺激成功地産生了7、8、9和10 Hz的頻率，它們之間的間隙很小。P300事件還與四個事件标記同時生成，并使用MATLAB在記錄的EEG中成功檢測到。從五個參與者的資料分析來看，SSVEP和BCI在每個頻率的相同時間視窗内分别産生了更好的分類率。而P300也有良好的性能。
此外，研究人員利用混合視覺刺激成功實作了基于SSVEP的指令控制，以控制一個樂高機器人的運動(這可以用于在現實世界中嚴重癱瘓的人控制輪椅)。呈現了具有四個低頻閃爍的視覺刺激，供使用者一次聚焦一個以執行對LEGO機器人的運動指令。對每一個視覺刺激，指令都以最少3 - 4秒的時間發送給機器人。除了資料處理和分類上的微小延遲外，機器人的運動幾乎是實時的。每個動作的微小延遲約為3-4秒，這是由于執行動作前所需的資料處理時間。
研究人員表示，該硬體平台可作為獨立的視覺刺激裝置或使用P300事件的事件标記相關實驗，用于各種神經病學調查或心理研究。該裝置可以很容易地定制用于單或多個刺激。
參考連結：
DIY hybrid SSVEP-P300 LED stimuli for BCIplatform using EMOTIV EEG headset
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