第四章 實驗設備與實驗設計
本研究以非侵入式方法從人頭部取得腦電波，再將擷取資料儲存至個人 電腦中進行數位訊號處理。本章節中詳細介紹了實驗設備、實驗設計與實驗 步驟。
4-1 實驗設備
實驗設備與方法如下：
1. 腦電波訊號擷取系統:
實驗所使用的腦電波訊號擷取系統是NeuroScan公司所製造的NuAmps 腦電波儀，實驗儀器包含腦電波儀、電極帽、USB資料傳輸線、導電膠、去 角質用品等如圖4.1所示。腦電波儀為一數位腦電波放大濾波系統，具有40 個頻道，最多可同時擷取40頻道的腦波訊號。腦電波訊號藉由電極帽自受測 者頭皮直接取得，經類比訊號放大器放大後，再將放大後的腦電波訊號進行 類比訊號轉數位訊號處理，最後把所得的數位腦電波訊號存入電腦中。本實 驗使用的腦電波訊號擷取系統的基本規格如下:
(1) 40個頻道錄製規格。
(2) 取樣頻率：125, 250, 500, 1000 Hz。本實驗所採取之取樣頻率為250 Hz。
(3) A/D : 22 bits。
2. 腦電波錄製房：一個不易受外界干擾的腦電波錄製場所。
3. 個人電腦：用來存放與處理腦電波資料。
圖4.1 NeuroScan之NuAmps腦電波儀與實驗儀器
4. 電極分佈位置:
本研究採用穿戴電極帽的記錄方式。圖4.2為國際10-20標準電極貼片位 置，實驗擷取重點為CZ和PZ兩位置，CZ和PZ位於大腦視覺誘發區域，可以 明顯的偵測到視覺誘發響應腦電波產生的變化，如圖4.3和圖4.4為單一實驗 只注視右箭頭實驗設計的大腦Cz和Pz位置，由圖中可明顯看出右箭頭所出現 時電腦上代表右箭頭的註記4的腦波波段和其它註記的波段有明顯能量增強 的現象。
圖4.2 國際10-20標準位置圖[19]
圖4.3 單一實驗注視右箭頭(code 4)，所量得Cz位置之腦波訊號與其他註記之 比較圖，注視右箭頭而右箭頭出現時於電腦上代表右箭頭註記4的腦波波段 和其它註記的波段比較起來有明顯能量增強的現象。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
圖4.4 單一實驗注視右箭頭(code 4)，所量得Pz位置之腦波訊號與其他註記之 比較圖，注視右箭頭而右箭頭出現時於電腦上代表右箭頭註記4的腦波波段 和其它註記的波段比較起來有明顯能量增強的現象。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。
4-2 實驗設計與實驗步驟
1. 實驗設計
本研究利用視覺刺激所誘發的腦波P300訊號，藉以發展一有效量化P300 訊號的方法，讓不明顯的腦波P300訊號能夠正確的被辨識出來，並設計一視 覺刺激回溯系統來表現出物體四個方向移動的訊號控制源。
實驗之設計為以視覺誘發回溯系統誘發腦波，擷取誘發的腦波P300訊號 再透過適應性類神經模糊推論系統(Adaptive Neuro-Fuzzy Interface System,
箭頭方向出現而受測者的P300訊號又偵測到為有反應時，就代表受測者此時 注視著此方向的箭頭，實驗設計為受測者想控制物體往此方向移動，但本實 驗並無真的控制物體的移動，而是辨識受測者注視箭頭時P300訊號的有無。
此一設計可做為大腦人機介面的訊號控制源。
實驗受測者為四位年齡20到24歲四肢健全腦部正常無受損者來進行實 驗。為了不讓實驗的重複性太高，實驗共分成四天進行。每天每位受測者進 行兩次實驗，只取狀況較好的一次。每次實驗進行二分鐘，每位受測者各做 四次實驗。受測者保持在清醒放鬆且張開眼睛的狀態下進行實驗。
實驗中受測者皆保持靜止舒適坐姿，當電腦畫面隨機出現上、下、左、
右的指標時如圖4.5所示，利用自行撰寫的程式讓記錄腦電波的電腦畫面上 於此同時也會出現代表上、下、左、右的註記（分別為1’、2’、3’、4’）如 圖4.6所示，受測者一次實驗注視一個箭頭方向並記下出現的次數，且次數 必須與電腦出現註記次數相符，否則代表受測者未中注意力而實驗不算成 功。將腦電波訊號在實驗中記錄下來後再使用分類器進行判別。
實驗設計流程：
實驗一:注視上箭頭(電腦註記出現1’)並記錄向上箭頭出現次數。
實驗二:注視右箭頭(電腦註記出現4’)並記錄向右箭頭出現次數。
實驗三:注視下箭頭(電腦註記出現2’)並記錄向下箭頭出現次數。
實驗四:注視左箭頭(電腦註記出現3’)並記錄向左箭頭出現次數。
圖4.5 實驗設計螢幕中所出現的箭頭圖樣
圖4.6 不同箭頭出現時電腦中出現不同的註記符號，1’、2’、3’、4’ 註記的 出現分別代表箭頭上、下、左、右的出現
2. ANFIS的FIS設計
本論文採用張智星博士在MATLAB上所開發出的ANFIS程式作為分類 器來辨識腦波P300現象，而本論文所使用的FIS為一階Sugeno模糊推論模 式，輸出變數設為輸入變數的線性函數，歸屬函數使用鐘型函數。FIS的設 計如下:
(1) 輸入變數與輸出變數：
FIS的輸入值為Cz和Pz兩通道擷取到的腦電波，輸出為腦電波P300現象 的分類。
圖4.7為所建構出的適應性模糊類神經推論系統架構，有兩個輸入、一 個輸出，每個輸入有四項歸屬函數，產生十六條規則。
ANFIS融合了模糊控制及類神經網路系統，不但具有神經網路優化的學 習能力，又具有模糊控制系統的仿人規則和專家知識等優點。本研究中所使 用之ANFIS利用Sugeno fuzzy model 理論作為基礎，是因為Sugeno fuzzy model具有參數較少的性質，其結合傳統的分段線性近似法，數學形式簡單，
故較於其他的模糊推論模型運算速度可以加快，有效減少訓練ANFIS的時 間。
圖4.7 適應性模糊類神經推論系統之網路架構
3. 實驗步驟
(1) 穿戴電極帽：依照國際 10-20 標準電極貼片位置穿戴電極帽如圖 4.8 所 示。透過電極帽取得受測者的腦電波訊號，再將腦電波訊號經訊號傳輸線送 給數位腦波錄製機。
(2) 塗上導電膠：增加頭皮與電極之間的導電性，導電膠主要打在電極帽上 的電極點上。
(3) 去角質與去除眼動：先去除電極放置位置之皮膚上角質如圖 4.9 所示，
圖4.9 為電及貼片貼於耳朵後骨頭上當做接地之用途，去除眼動則於一隻眼 睛的周圍貼上電極，以便於實驗量測時可以得知眼動的訊號與時間，最後利 用儀器去除眼動的功能，將眼動的影響去除。
(4) 阻抗值量測：量測各電極的阻抗是否在標準阻抗範圍內(小於10KΩ)如圖 4.10所示。
(5) 保持平靜：每次實驗前先請受測者安靜打坐十至二十分鐘，使大腦活動 回復至穩定的狀態。
(6) 實驗開始：位於一密閉安靜不受外界干擾的環境如圖4.11所示，當受測 者準備妥當後，實驗即開始，開始記錄腦波訊號。
圖4.8 電極帽與眼動電極穿戴位置 圖4.9 去角質以減少阻抗(於耳後骨頭上代表 接地位置)
圖4.10 調整阻抗值動作 圖4.11 實驗周圍為一密閉不受干擾環境
