第五章實驗結果與問題討論

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第五章實驗結果與問題討論

受測者基本資料表：

表5.1 受測者基本資料表

Subject Age Sex Height Weight

S1 25 male 172 65

S2 24 male 173 60

S3 22 male 175 68

S4 22 male 172 62

實驗總共找了四位受測者，四位受測者皆為四肢健全、腦部功能正常，

年齡分別為22~25歲不等，在實驗進行的前兩天會要求每位受測者保持正常生活作息，且不喝具有刺激性的飲料。

5-1實驗結果:

在記錄下四位受測者於不同實驗後的腦波，首先必須將受眼動干擾的腦波波段濾除，如圖5.1為原始腦電波圖，眼動時腦電波能量會突然增大，而圖5.2為將受眼動干擾成份去除後腦電波圖，眼動干擾已有效去除。

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圖5.1 腦電波原始記錄圖

圖5.2 將受眼動干擾成份去除後腦電波圖

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眼動干擾去除後，再來就是將不同方向箭頭刺激出現時記錄電腦上出現的相對應註記切出，之後就以分類器來辨識有無P300能量增強的現象。圖 5.3~5.18為四位受測者在經過四天不同實驗後，經過濾除雜訊並切出各段不同註記後所得到的腦電波比較圖。圖中分別比較單筆與兩筆平均之腦波增益現象明顯與否，腦波訊號波段皆為任意選取。圖5.3~5.6為受測者一進行四個實驗的腦波圖，圖5.7~5.10為受測者二進行四個實驗的腦波圖，圖5.11~5.14 為受測者三進行四個實驗的腦波圖，圖5.15~5.18為受測者四進行四個實驗的腦波圖。圖5.3~5.18中code1表上箭頭出現時的註記，code2表下箭頭出現時的註記，code3表左箭頭出現時的註記，code4表右箭頭出現時的註記。能量增益現象不明顯的波段在分類器辨識時容易辨識不出，如圖5.4(b)、

5.8(a)(b)、5.9(b)、5.11(b)、5.13(a)(b)、5.14(a)(b)、5.15(a)(b)、5.17(a)(b)，而其它能量增益現象明顯的圖在分類器辨識時可正確辨識出能量增強訊號。在經過兩筆腦波資料平均後，圖5.4(b)、5.8(a)(b)、5.9(b)、5.11(b)、5.13(a)(b)、

5.14(a)(b)、5.15(a)(b)、5.17(a)(b)單筆腦波訊號能量增強不明顯的現象都可獲得改善，如圖5.4(d)、5.8(c)(d)、5.9(d)、5.11(d)、5.13(c)(d)、5.14(c)(d)、

5.15(c)(d)、5.17(c)(d)。

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a. S1於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

正確分辨出code1有能量增益現象

b. S1於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

確分辨出code1有能量增益現象

c. S1於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Cz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此

一例可正確分辨出code1有能量增益現象

d. S1於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

例可正確分辨出code1有能量增益現象

圖5.3 S1於實驗一注視上箭頭(code1)單筆腦波訊號與兩筆腦波訊號平均之比較，code1表上箭頭出現時的註記，code2表下箭頭出現時的註記，code3 表左箭頭出現時的註記，code4表右箭頭出現時的註記。

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a. S1於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

b. S1於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

正確分辨出code4的能量增益現象

c. S1於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Cz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此

一例可正確分辨出code4有能量增益現象

d. S1於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

例可正確分辨出code4有能量增益現象

圖5.4 S1於實驗二注視右箭頭(code4)單筆腦波訊號與兩筆腦波訊號平均之比較，code1表上箭頭出現時的註記，code2表下箭頭出現時的註記，code3 表左箭頭出現時的註記，code4表右箭頭出現時的註記。

(6)

a. S1於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

b. S1於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

c. S1於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Cz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此

d. S1於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

圖5.5 S1於實驗三注視下箭頭(code2)單筆腦波訊號與兩筆腦波訊號平均之比較，code1表上箭頭出現時的註記，code2表下箭頭出現時的註記，code3 表左箭頭出現時的註記，code4表右箭頭出現時的註記。

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a. S1於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

b. S1於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

c. S1於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Cz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此

d. 於S1於實驗四注視左箭頭(code3)大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

圖5.6 S1於實驗四注視左箭頭(code3)單筆腦波訊號與兩筆腦波訊號平均之比較，code1表上箭頭出現時的註記，code2表下箭頭出現時的註記，code3 表左箭頭出現時的註記，code4表右箭頭出現時的註記。

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b. S2於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

(9)

a. S2於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無

法正確分辨出code4的能量增益現象

b. S2於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置圖量得單筆腦波訊號圖，此一例無

圖5.8 S2於實驗二注視右箭頭(code4)單筆腦波P300訊號與兩筆腦波P300訊號平均之比較，code1表上箭頭出現時的註記，code2表下箭頭出現時的註記，code3表左箭頭出現時的註記，code4表右箭頭出現時的註記。

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a. S2於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

正確分辨出code2有能量增益現象

b. S2於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

正確分辨出code2的能量增益現象

c. S2於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

(11)

a. S2於實驗四注視左箭頭(code4)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

b. S2於實驗四注視左箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

確分辨出code4有能量增益現象

d. S2於實驗四注視左箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

(12)

b. S3於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

(13)

b. S3於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可

d. S3於實驗二注視右箭頭(code4)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此

(14)

a. S3於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無

b. S3於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

(15)

a. S3於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無

b. S3於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

d. S3於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

(16)

a. S4於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

b. S4於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無法

c. S4於實驗一注視上箭頭(code1)於大腦 10-20Cz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

(17)

b.於S4於實驗二注視右箭頭(code4)大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

(18)

a. S4於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例無

法正確分辨出code2的能量增益現象

b. S4於實驗三注視下箭頭(code2)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號，此一例無法正

確分辨出code2的能量增益現象

(19)

a. S4於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Cz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正

b. S4於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Pz位置量得單筆腦波訊號圖，此一例可正確

分辨出code3有能量增益現象

c. S4於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Cz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一

d. S4於實驗四注視左箭頭(code3)於大腦 10-20Pz位置量得兩筆平均之腦波訊號圖，此一例

可正確分辨出code3有能量增益現象

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Cz和Pz位置記錄下之腦電波經前處理完切段後，經快速傅立葉轉換後可明確分辨出有P300現象與無P300現象的差別，如圖5.19與圖5.20所示，有P300 現象的能量頻譜密度比起無P300現象的能量頻譜密度在10Hz左右有明顯增強現象。

圖5.19 有P300現象的腦電波經快速傅立葉轉換得到的Cz和Pz位置頻域能量

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圖5.20 無P300現象的腦電波經快速傅立葉轉換得到的Cz和Pz位置頻域能量分佈現象

實驗時適應性類神經模糊推論系統分類器先經過近2400筆平時實驗所紀錄下來的腦電波P300資料做訓練。每段腦電波依照上、下、左、右的所出現的代表註記1’、 2’、 3’、 4’切段後，取250ms ~ 350ms的平均值，再依照

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右各段取出的平均值上，做為上、下、左、右四個方向的特徵值。實驗的設定為將無P300現象的訊號網路輸出值設為0，而有P300現象的腦電波可分為上、下、左、右四個方向，上、下、左、右四個方向的網路輸出值分別設定為1、2、3、4。有了腦電波時域上的特徵再加上腦電波頻域上的特徵，分離有無P300現象利用頻域的特徵，而判別上、下、左、右四個方向則利用上述所設定的方法於時域的特徵上可分辨出，如此便可以辨識出有無腦電波P300 現象以及判斷出四個方向。接著再將所有切段好的值輸入到適應性類神經模糊推論系統分類器做訓練，在訓練約六千次後訓練之誤差值趨於一定值，此時代表分類器訓練完成，之後再將要分類的資料輸入到訓練好的適應性類神經模糊推論系統分類器做辨識。

接著將四位受測者經過實驗所記錄下的腦電波做訊號處理，將受眼動干 擾的腦波波段濾除，然後依照電腦紀錄註記切段，約可切成600多段腦電波，

接著每段資料皆取自刺激出現後(註記出現後)250ms ~ 350ms的平均值並且透過快速傅立葉轉換擷取頻域上的能量分佈特徵，之後就將這些資料輸入到適應性類神經模糊推論系統分類器中做分類。

如表5.2為由實際輸出值決定有無腦電波P300現象與代表四個方向的標準，無P300現象的訊號網路輸出值設為0，上、下、左、右四個方向的網路輸出值分別設定為1、2、3、4，輸出目標值0的正確範圍介於-0.5~0.5，輸出目標值1的正確範圍介於0.5~1.5，輸出目標值2的正確範圍介於1.5~2.5，輸出目標值3的正確範圍介於2.5~3.5，輸出目標值4的正確範圍介於3.5~4.5。圖 5.21為將無P300現象的訊號網路輸出值設為0，上、下、左、右四個方向的網路輸出值分別設定為1、2、3、4，將這些資料輸入到ANFIS中做訓練。圖 5.22表示ANFIS分類器訓練約六千次後訓練之錯誤值趨於一定值，此時代表

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表5.2 由實際輸出值決定有無腦電波P300現象與代表四個方向的標準 Type No P300 Up Down Left Right Desired

output

0 1 2 3 4

Practical output

-0.5~0.5 0.5~1.5 1.5~2.5 2.5~3.5 3.5~4.5

圖5.21 輸入訓練值於ANFIS分類器中做訓練

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圖5.23 分類辨識結果輸出

經由將全部實驗數據輸入到訓練完成的分類器作辨識後，所得的結果如表5.3所示，單筆腦波的最低辨識率為71%，平均辨識率為79%，最高正確率為83%。

表5.3 單筆腦波辨識結果 Accuracy

Subject No P300 Up Right Down Left Average S1 0.75 0.74 0.82 0.81 0.80 0.79 S2 0.77 0.71 0.80 0.79 0.83 0.78 S3 0.80 0.80 0.82 0.78 0.83 0.81 S4 0.79 0.78 0.78 0.82 0.79 0.79

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單筆腦波P300訊號辨識率並沒有達到很高，為了提高辨識率，實驗將兩筆相同性質的腦波做平均，藉此可以使得單筆腦波P300能量增強現象不明顯的情況得到改善，而經過將兩筆相同性質的腦波做平均後所得到的實驗結果如表5.4所示。將二筆相同性質的腦電波平均後作辨識則最低辨識率為83%平均辨識提高為87%，最高可達95%。因為將兩筆腦波平均後所得到之P300能量增益現象會更明顯，所以可得到更正確的辨識結果。

表5.4 二筆腦波平均後辨識結果 Accuracy

Subject No P300 Up Right Down Left Average S1 0.90 0.92 0.90 0.90 0.88 0.90 S2 0.85 0.88 0.95 0.88 0.87 0.89 S3 0.83 0.87 0.85 0.83 0.89 0.86 S4 0.85 0.83 0.85 0.85 0.87 0.85

5-2 問題討論

1.在以P300做為特徵的實驗中，首先注重的就是受測者的注意力集中問題，因為如果受測者在注意力不是很集中的情況下所得到的P300訊號會不明顯，這樣便會影響到最後分類辨識的結果，所以本實驗設計當受測者於實驗中注視著螢幕箭頭出現的方向，一次實驗注視一個箭頭方向，同時也必須要記下箭頭出現的次數，受測者記下箭頭出現的次數必須要和電腦所記錄的次數符合，否則實驗必須重做，如此以確保受測者有集中注意力於實驗。

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動訊號大多屬於低於1Hz的訊號而市電干擾屬於60Hz的訊號，所以先設定濾波功能盡可能濾除雜訊，市電干擾問題則外加接地線解決，眼動干擾於實驗結束後也會依照儀器量得眼動訊號的位置，將受到眼動干擾的波段切除。

3.本實驗設計之視覺刺激回溯系統時必須要準確的知道刺激箭頭出現的時間，這樣也才能正確的知道P300出現的時間點，所以實驗中搭配了自行撰寫的刺激回饋程式讓刺激訊號箭頭出現時在記錄腦電波的電腦上也會同時出現自行設定相對於出現箭頭的註記，如此便能正確的知道P300訊號出現的位置。實驗結束後才可依照電腦註記的標示將腦電波切段，正確得到要分析的腦電波波段資料。

4.因為單筆P300訊號有些時候並不是很明顯的可以辨識出來，雖然透過人工判讀可以辨識出有無P300的變化，但是為了要有效的區分出有無P300 訊號，所以特徵擷取自250ms ~ 350ms的平均值，希望藉由取平均值的方法來找出與其他波段明顯的不同特徵，並且加上取腦電波的頻域值作為特徵，

實驗結果顯示此方法找出的P300訊號特徵透過適應性類神經模糊推論系統分類器做辨識，可得到不錯的辨識效果，可達到本研究所設定的目標。

5.假使訓練分類器的資料能收集的越多，對適應性類神經模糊推論系統辨識率提高也會有幫助。

P300的應用可以相當廣泛，搭配不同的實驗設計便可以建構出多樣化的大腦人機介面應用，比起光靠想像事件來進行研發大腦人機介面的方法可靠許多，因為光靠想像事件常常會因為不同時空不同心情影響甚鉅，而且每個人的專心想像程度皆很難掌握，相對的想像事件的實驗設計種類也相當有限，最常設計的為想像左右手動作或是左右腳動作的實驗設計，相對於想像事件，以P300做為實驗設計的大腦人機介面應用就可以比較廣泛，只要利用

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做為實驗設計也不如光用想像事件的大腦人機介面來的方便，因為還是需要一個視覺回溯裝置。不過本實驗僅於離線分析上做研究，並未實現於線上即時分析。

第五章 實驗結果與問題討論