High-Frequency Discrete-Interval Binary Sequence in Asynchronous C-VEP-Based BCI for Visual Fatigue Reduction

异步通信 二进制数 解码方法 序列(生物学) 区间(图论) 计算机科学 语音识别 人工智能 算法 模式识别(心理学) 数学 组合数学 算术 计算机网络 遗传学 生物
作者
En Lai,Ximing Mai,Minghao Ji,Songwei Li,Jianjun Meng
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:28 (5): 2769-2780 被引量:11
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3373332
摘要

In code-modulated visual evoked potential (c-VEP) based BCI systems, flickering visual stimuli may result in visual fatigue. Thus, we introduced a discrete-interval binary sequence (DIBS) as visual stimulus modulation, with its power spectrum optimized to emphasize high-frequency components (40 Hz-60 Hz). 8 and 17 subjects participated, respectively, in offline and online experiments on a 4-target asynchronous c-VEP-based BCI system designed to realize a high positive predictive value (PPV), a low false positive rate (FPR) during idle states, and a high true positive rate (TPR) in control states, while minimizing visual fatigue level. Two visual stimuli modulations were introduced and compared: a maximum length sequence (m-sequence) and the high-frequency discrete-interval binary sequence (DIBS). The decoding algorithm was compared among the canonical correlation analysis (CCA), the task-related component analysis (TRCA), and two approaches of sub-band component weight calculation (the traditional method and the proportional method) for FBCCA and FBTRCA. In the online experiments, the average PPV, FPR and TPR achieved, respectively [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text] with m-sequence, while [Formula: see text], [Formula: see text] and [Formula: see text] with DIBS. Estimated by objective eye-related metrics and a subjective questionnaire, the visual fatigue in DIBS cases is significantly smaller than that in m-sequence cases. In this study, the feasibility of a novel modulation approach for visual fatigue reduction was proved in an asynchronous c-VEP system, while maintaining comparable performance to existing methods, which provides further insights towards enhancing this field's long-term viability and user-friendliness.
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