航天噪聲環(huán)境對(duì)腦機(jī)接口的影響研究

張 朕，焦學(xué)軍，楊涵鈞，徐鳳剛，姜 勁，曹 勇，潘津津

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

航天噪聲環(huán)境對(duì)腦機(jī)接口的影響研究

張 朕，焦學(xué)軍?，楊涵鈞，徐鳳剛，姜 勁，曹 勇，潘津津

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

針對(duì)目前研究較薄弱的腦機(jī)接口在艙內(nèi)噪聲環(huán)境下的適應(yīng)性問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整天宮一號(hào)艙內(nèi)噪聲錄音至60 dB以完全模擬太空艙內(nèi)環(huán)境噪聲，探究了P300、SSVEP和運(yùn)動(dòng)想象三種腦機(jī)接口在模擬天宮一號(hào)艙內(nèi)噪聲環(huán)境下分類正確率和特征的變化。結(jié)果顯示：模擬天宮一號(hào)噪聲環(huán)境與安靜環(huán)境（20～40 dB）相比，P300靶刺激幅值發(fā)生了較顯著提高，但是分類正確率無(wú)顯著性改變；SSVEP的各頻率信噪比和分類正確率無(wú)顯著性改變；運(yùn)動(dòng)想象正確率下降且顯著，但仍在適用范圍。表明腦機(jī)接口在載人航天噪聲環(huán)境下具有較強(qiáng)適用性。

腦機(jī)接口；載人航天；噪聲；P300；SSVEP；運(yùn)動(dòng)想象

1 引言

腦機(jī)接口（Brain?Computer Interface，BCI）［1］能夠?qū)⒛X信號(hào)作為外部設(shè)備的控制命令，增加人機(jī)間信息交換與控制通道，還能夠降低因人實(shí)際動(dòng)作引起的體力負(fù)荷，能夠應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)，機(jī)器控制，疲勞監(jiān)測(cè)等方面。在載人航天領(lǐng)域，航天員的體力負(fù)荷受到了太空環(huán)境的多重影響，如失重環(huán)境引起的骨丟失和肌肉萎縮［2］、低壓缺氧環(huán)境引起的疲勞困乏感甚至惡心嘔吐［3］、太空壓力環(huán)境變化引起的減壓病［2］和艙外航天服給航天員帶來(lái)的行動(dòng)不便［4?6］，而且隨著我國(guó)載人航天事業(yè)的發(fā)展，航天員在軌作業(yè)時(shí)間逐步增長(zhǎng)，航天員更容易受到體力疲勞的影響。因此，將腦機(jī)接口應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域?qū)档秃教靻T的體力負(fù)荷、增強(qiáng)空間作業(yè)效率和增強(qiáng)控制指令集具有潛在價(jià)值。

噪聲是艙內(nèi)極其重要的環(huán)境因素，如艙內(nèi)風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲、電子設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生噪聲，且難以避免，如天宮一號(hào)艙內(nèi)雖然進(jìn)行了一系列噪聲抑制，但仍存在60 dB左右的噪聲［7］。而噪聲會(huì)影響航天員工作效率和引起航天員疲勞。因此，腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用于空間環(huán)境需要探究噪聲對(duì)腦機(jī)接口的影響。目前腦機(jī)接口技術(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)常在安靜環(huán)境下進(jìn)行，很少在噪聲環(huán)境下進(jìn)行探究，即關(guān)于腦機(jī)接口對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性的探究存在不足，僅有兩篇論文討論了噪聲環(huán)境下腦機(jī)接口適應(yīng)性問(wèn)題：Falk發(fā)現(xiàn)基于前額近紅外信號(hào)音樂(lè)想象腦機(jī)接口在持續(xù)背景噪聲和驚嚇性噪聲下分類正確率有所下降［8］；Nam通過(guò)五名被試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于腦電P300信號(hào)腦機(jī)接口在噪聲環(huán)境（70～120 dB）下正確率與信息傳遞速率降低，但是噪聲對(duì)其影響不具有顯著性［9］。為探究多種基于腦電的腦機(jī)接口范式在空間艙內(nèi)噪聲環(huán)境下的適用性，并增強(qiáng)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，本課題招募20名被試對(duì)P300、SSVEP誘發(fā)式腦機(jī)接口和運(yùn)動(dòng)想象主動(dòng)式腦機(jī)接口三種常規(guī)腦機(jī)接口范式進(jìn)行了噪聲環(huán)境實(shí)驗(yàn)，噪聲來(lái)源于天宮一號(hào)艙內(nèi)噪聲錄音，音量調(diào)整至60 dB左右以完全模擬艙內(nèi)噪聲環(huán)境。本文通過(guò)比較噪聲環(huán)境下三種腦機(jī)接口識(shí)別正確率、特征的變化，探究艙內(nèi)噪聲環(huán)境對(duì)腦機(jī)接口的影響。

2 方法

2.1受試者

研究共招募了20名受試者，均為中國(guó)航天員訓(xùn)練研究中心研究生和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生，均為男性，平均年齡32，標(biāo)準(zhǔn)差9.7。被試之前未進(jìn)行過(guò)腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)，無(wú)精神疾病和運(yùn)動(dòng)障礙。

2.2實(shí)驗(yàn)范式

對(duì)于每種腦機(jī)接口范式，每組實(shí)驗(yàn)包括：

P300：基于經(jīng)典的Oddball范式，采用6×6行列拼寫(xiě)器，閃爍間隔為133 ms，每個(gè)字符注視16 s，休息2 s，共20個(gè)字符。

SSVEP：4個(gè)正方形周期性閃爍，閃爍頻率分別為7 Hz、9 Hz、13 Hz、15 Hz。每個(gè)目標(biāo)注視時(shí)間為5 s，休息2 s，共48個(gè)目標(biāo)試次。

運(yùn)動(dòng)想象：被試根據(jù)提示想象左手或右手運(yùn)動(dòng)每次想象5 s，休息5 s，共32個(gè)試次。

每種范式都包括四組實(shí)驗(yàn)，其中前兩組為對(duì)照組，噪聲控制在20～40 dB內(nèi)。最后兩組播放天宮一號(hào)艙內(nèi)噪音錄音，調(diào)整至60 db，采用多個(gè)音箱進(jìn)行噪聲添加，實(shí)際噪聲等級(jí)采用杭州愛(ài)華儀器公司的AWA6270＋型產(chǎn)品測(cè)定，測(cè)定要求被試四周聲音分貝皆為60 dB。每名被試在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)前，需進(jìn)行兩次無(wú)噪聲干擾環(huán)境訓(xùn)練，要求兩次訓(xùn)練后三種腦機(jī)接口范式正確率無(wú)明顯下降，排除學(xué)習(xí)效應(yīng)。三種腦機(jī)接口界面如圖1所示。

2.3數(shù)據(jù)采集

采集設(shè)備采用美國(guó)BIOPAC公司B?ALERT腦電數(shù)據(jù)采集器，采集腦電通道為10～20系統(tǒng)的Fz、Cz、C3、C4、P3、P4、Pz、POz、Oz共計(jì)9個(gè)通道。通道阻值在20 kΩ以下，采樣頻率256 Hz。腦電通道如圖2所示。

2.4數(shù)據(jù)處理

P300：截止頻率為40 Hz的低通濾波去除工頻干擾，帶通濾波頻率1～15 Hz，降采樣至25 Hz，采用LDA分類器分類。特征提取包括靶刺激幅值、Fisher系數(shù)和靶刺激潛伏期。

SSVEP：考慮二倍頻率大小，設(shè)計(jì)5～68 Hz帶通濾波器，50 Hz陷波濾波器去除工頻干擾，快速傅里葉變換算法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）提取頻域特征，采用典型相關(guān)分析（Canonical Cor?relation Analysis，CCA）分類各頻率刺激。提取特征為各頻率刺激下腦電信號(hào)對(duì)應(yīng)于該頻率響應(yīng)功率的信噪比。

運(yùn)動(dòng)想象：8～30 Hz的寬頻帶濾波，抑制低頻和工頻噪聲，通過(guò)共空間模式（CSP）提取特征，提取特征后采用線性核的支持向量機(jī)作為特征器進(jìn)行二分類。

對(duì)于提取的特征和分類正確率，采用配對(duì)t檢驗(yàn)比較噪聲和非噪聲環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 結(jié)果

3.1P300

對(duì)于P300實(shí)驗(yàn)，靶刺激指被試注視的字符點(diǎn)亮?xí)r的腦電信號(hào)，非靶刺激指被試沒(méi)有注視的字符點(diǎn)亮?xí)r的腦電信號(hào)，靶刺激幅值為P300信號(hào)幅值，F(xiàn)isher系數(shù)表征兩種腦電信號(hào)的可分性，結(jié)果如圖3所示。

噪聲與安靜環(huán)境下P300特征與準(zhǔn)確性配對(duì)t檢驗(yàn)p值如表1所示。

表1 噪聲對(duì)P300影響Table 1 Influence of noise on P300

結(jié)果表明，在噪聲環(huán)境下，P300范式的靶刺激幅值、Fisher系數(shù)、靶刺激潛伏期有上升趨勢(shì)，尤其靶刺激幅值上升程度較大，且較顯著（p＝0.02＜0.05）。但是噪聲對(duì)運(yùn)動(dòng)想象正確率無(wú)顯著性影響。要識(shí)別出當(dāng)前所注視的字母，需要滿足行的靶刺激／非靶刺激和列的靶刺激／非靶刺激同時(shí)識(shí)別正確。正確率對(duì)應(yīng)的閃爍刺激共10輪，包括120次閃爍（其中20次靶刺激標(biāo)簽為1；100次非靶刺激，標(biāo)簽為0）的字符識(shí)別正確率。而靶刺激幅值來(lái)源于20次靶刺激信號(hào)的疊加，非靶刺激來(lái)源于100次非靶刺激的疊加。因此，對(duì)于疊加的靶刺激幅值不能反應(yīng)每一次靶刺激幅值的提高，而是反映了靶刺激均值的提高，其與字符識(shí)別正確率之間沒(méi)有絕對(duì)的正比關(guān)系。對(duì)此，進(jìn)一步分析單個(gè)被試每一輪靶刺激在噪聲和非噪聲環(huán)境下的幅值變化，未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。

3.2SSVEP

計(jì)算所有被試在不同頻率刺激下枕區(qū)POz導(dǎo)聯(lián)的平均腦電信號(hào)信噪比均值，四種頻率刺激識(shí)別的正確率和總正確率，結(jié)果如圖4所示。信噪比能夠表征該頻率刺激下相應(yīng)頻率或腦電功率譜頻率處響應(yīng)大小。

噪聲與安靜環(huán)境下SSVEP各頻率下信噪比和準(zhǔn)確性配對(duì)t檢驗(yàn)p值如表2所示。

表2 噪聲對(duì)SSVEP影響Table 2 Influence of noise on SSVEP

從圖2可以看出在噪聲環(huán)境下，各個(gè)頻率的信噪比和正確率相比于安靜條件下無(wú)規(guī)律性變化，且信噪比大小與正確率大小無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)一步從表2所示配對(duì)檢驗(yàn)中看出，噪聲干擾對(duì)SS?VEP各頻率下信噪比和分類正確率無(wú)顯著影響，因此可認(rèn)為天宮一號(hào)艙內(nèi)噪聲環(huán)境對(duì)SSVEP無(wú)影響。

3.3運(yùn)動(dòng)想象

噪聲對(duì) MI正確率影響見(jiàn)圖5，p＝0.01＜0.05，影響較顯著，且分類正確率下降明顯，即在噪聲干擾下，運(yùn)動(dòng)想象正確率發(fā)生了明顯下降。

4 討論

在模擬天宮一號(hào)艙內(nèi)噪聲環(huán)境下，P300靶刺激幅值發(fā)生了較顯著提高，結(jié)果與Nam［9］（70～120 dB）研究結(jié)果一致，雖然模擬噪聲提高了靶刺激幅值，但對(duì)于識(shí)別正確率的提高影響不大，可能的原因是靶刺激的提高幅值不足以使分類正確率產(chǎn)生顯著增長(zhǎng)。對(duì)于噪聲環(huán)境下靶刺激幅值增高，Nam認(rèn)為在噪聲環(huán)境下使人更加專注。P300范式下，被試需要將注意力集中于目標(biāo)字符，因此注意程度與正確率是相關(guān)的。對(duì)于這一點(diǎn)要指出的是，其前提是噪聲具有一致性，不會(huì)產(chǎn)生突變而使人分心或包含情緒效應(yīng)（如驚嚇、恐怖感）的噪音［10?11］，否則會(huì)對(duì)人情緒狀態(tài)等產(chǎn)生影響，最終影響腦機(jī)接口的實(shí)際應(yīng)用，而空間艙內(nèi)噪音主要包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲、電子設(shè)備和大型控制力矩陀螺等，噪聲較穩(wěn)定，頻帶范圍較寬，因此人對(duì)艙內(nèi)噪聲適應(yīng)性較強(qiáng)。噪聲引起了運(yùn)動(dòng)想象分類正確率的顯著下降，分析可能原因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)想象為主動(dòng)式腦機(jī)接口，而前兩種為被動(dòng)式腦機(jī)接口，主動(dòng)式腦機(jī)接口更容易受到外界干擾從而引起正確率下降。

總之，噪聲對(duì)基于腦電腦機(jī)接口影響不大，腦機(jī)接口仍處于可用識(shí)別正確率范圍，而有研究發(fā)現(xiàn)噪聲對(duì)基于近紅外腦機(jī)接口影響比較大［8，10］，可以驗(yàn)證基于腦電腦機(jī)接口的抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。空間密封艙內(nèi)噪音水平為55～62 dB［7］，本課題設(shè)置天宮一號(hào)噪聲錄音至60 dB充分模擬空間艙內(nèi)噪聲環(huán)境，可以驗(yàn)證腦機(jī)接口在空間環(huán)境下的適用性。但本課題噪聲為短時(shí)噪聲，而在空間中航天員要長(zhǎng)期在噪聲環(huán)境下工作與生活，已有研究證實(shí)噪聲導(dǎo)致的工作績(jī)效下降、注意力下降、加速疲勞［11?12］，因此下一步還需要考慮在長(zhǎng)時(shí)間噪聲影響下產(chǎn)生的煩擾、疲勞等狀態(tài)對(duì)腦機(jī)接口性能的影響，并進(jìn)行在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文研究針對(duì)航天噪聲環(huán)境音量調(diào)整至60 dB，下一步可繼續(xù)探究不同噪音音量和頻率對(duì)腦的影響。同時(shí)，對(duì)于噪聲所引起的EEG腦機(jī)接口績(jī)效改變，可以考慮融合多生理參數(shù)方法增強(qiáng)其魯棒性，增強(qiáng)腦機(jī)接口適應(yīng)范圍［8］，以滿足復(fù)雜環(huán)境對(duì)復(fù)腦機(jī)接口的需求。

5 結(jié)論

本文采用P300拼寫(xiě)器、SSVEP、運(yùn)動(dòng)想象三種常規(guī)腦機(jī)接口范式，探究其在模擬控間艙內(nèi)噪聲環(huán)境下（60 dB）腦電特征與分類正確率的變化。結(jié)果證明：腦機(jī)接口短時(shí)間應(yīng)用于空間環(huán)境的適用性，對(duì)提高航天員空間作業(yè)能力、降低風(fēng)險(xiǎn)性具有實(shí)際意義。下一步將在此基礎(chǔ)上探究長(zhǎng)時(shí)間噪聲環(huán)境對(duì)腦機(jī)接口性能的影響，進(jìn)一步深入研究噪聲環(huán)境對(duì)大腦認(rèn)知活動(dòng)的影響。

致謝：感謝提供天宮一號(hào)噪聲錄音的高慧老師。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Influence of Cabin Noise on Brain?Computer Interface in Space

ZHANG Zhen，JIAO Xuejun?，YANG Hanjun，XU Fenggang，JIANG Jin，CAO Yong，PAN Jinjin

（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and training center，Beijing 100094，China）

BCI（Brain?Computer Interface）can control remote machines through brain signal which is of great significance for the human spaceflight.The study of BCI is usually conducted in silent en?vironment，but the noise in space environment（60 dB）is almost in?avoidable.Since there is few study of BCI in noise environment，the feasibility of BCI in the noise environment of the space cabin was explored in this paper.The noise recording was used in the cabin of Tiangong?1 to simulated the noise environment in the space cabin and three kinds of BCIs：P300，SSVEP and MI（Motor Image?ry）were studied.The results showed that：for P300?BCI，the target amplitude increased significant?ly but the classification accuracy was not affected by noise；for SSVEP?BCI，the SNR and classifica?tion accuracy were not affected by noise；For MI，the classification accuracy decreased significantly but was still in the normal range.Thus，the feasibility of these three kinds of BCI in noise environ?ment of manned spaceflight was confirmed.

brain?computer interface（BCI）；manned spaceflight；noise；P300；SSVEP；motor im?agery

R318

：A

：1674?5825（2017）02?0274?05

2016?08?10；

2017?03?07

國(guó)家自然科學(xué)基金（81671861）；中國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目（YJGF151204）；中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（SYFD150051805）

張朕，男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向?yàn)槟X機(jī)接口。E?mail：47148593＠qq.com

?通訊作者：焦學(xué)軍，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)楹教旃ばW(xué)。E?mail：jxjisme＠sina.com