目錄

• • P300簡介
  • • P300特性
    • P300家族
  • P300腦機接口刺激范式
  • • 1.P300的經典范式
  • P300的應用

本教程為腦機學習者Rose發表于公眾號：腦機接口社區 .QQ交流群：903290195

P300簡介

P300屬于ERP(事件相關電位)的一種，是一種內源性的、和認知功能相關的特殊誘發電位。

P300是在事件(如聽覺、視覺刺激)發生后大約300ms出現的一個正向波(如下圖所示)，它是以delta(0.5-4Hz)腦波為主要貢獻和theta(4-7.5Hz)腦波響應的融合。

圖片來源于：基于P300和SSVEP混合范式腦—機接口研究 ### P300名字來源 首先介紹一下事件相關電位-ERP，當外加某種特定的刺激于感覺系統或腦的某一部位，在給予/撤銷刺激或者當某種心理因素出現時腦區所產生的電位變化就被叫做事件相關電位(ERP)。

不同的外界刺激方式和心理因素都會引起不同的ERP,一般可以從極性、潛伏期、分布的腦區等三個方面對ERP進行描述。而命名主要是參考極性和潛伏期。

極性也就是電位相對參考電壓的正負值，命名正向波為P(positive)，負向波為N(negative).

潛伏期即從施加/撤銷刺激至波峰/波谷達到最高/低處的時間長度(以毫秒ms為單位)。
10ms以內為早成分；
10~50ms為中成分；
50~500ms為晚成分；
500ms以后為慢波。

所以常見的P300、N200等是根據極性和潛伏期進行命名的。如將潛伏期大約為300ms的正向波命名為P300，而N200則表示潛伏期大約為200ms的負向波。

注：雖然P300表示的是潛伏期大約在300ms也就是它常發生在相對于誘發刺激約300ms的潛伏期，但其潛伏期可能會有所不同，從250ms_{800ms(有些地方是750ms)不等。其他類型的波也是如此，比如N200，它是在事件發生后180}325ms潛伏期的負向波。

P300特性

特性1：P300信號是EEG信號在靶刺激出現之后300ms左右產生的正向波；
特性2：波峰的偏移主要取決于刺激任務的難度；
特性3：幅值的高低主要取決于靶刺激概率的大小并與刺激出現的概率成反比。
特性4：P300電位是事件相關電位中不受物理特性(形狀、大小、視覺、聽覺等)刺激影響的內源性成分。

P300家族

1965年，隨著Sutton等在研究ERP與刺激的不確定性關系時首次發現P300，并對其進行描述。之后許多研究者陸續發現與P300類似的成分，P300逐漸擴展成一個含有多種成分的，潛伏期為250_{800ms，幅值為5}20的大家族。常見的成分包括P3a和P3b。
P3a是由未預料到的，具有足夠強度的刺激突然出現而誘發的一個正向波，其最大的波幅出現在額葉，其主要有新異刺激誘發產生，因此被認為是朝向反映出現的標志。
P3b為最初發現的P300，對于被試對象具有偶然性的刺激可誘發此電位。

P300腦機接口刺激范式

1.P300的經典范式

在基于P300的oddball刺激范式 BCI 系統研究中，最經典的應用是Farwell和Donchin在 1988年提出并設計的字符拼寫器簡稱為P300 Speller。如下圖所示，使用26個英文字母和 1-9個數字以及下劃線排列成 6 x 6 的虛擬鍵盤矩陣。隨機高亮字符矩陣的某一行或某一列，一次實驗中6 x 6列均被高亮亮一次，一共12次高亮刺激。受試者必須將注意力集中在矩陣中的字符上，以此來選擇組成單詞的每個字母。當包括此字符的行或者包含此字符的列被高亮時（也就是oddball范式中的靶刺激），要求受試者對此做出反應，予以計數，會產生P300波形；當不包含此字符的行或者列加亮時，被試不做出反應，不予計數，不會產生P300波形，通過解析腦電信號中的P300時序位置，并對照刺激序列的時序，進而確定刺激的行列位置，從而確定出受試者注視的字符，達到根據思維打字的目的。為了有助于保持受試者的注意力，通常要求受試者對目標字符高亮的次數進行計數。值得注意的是重復高亮次數越多，識別準確率越好，但會增加拼寫時間。再者每一個字符也可以代表著一個控制指令，從而可以實現36個控制指令。

P300 Speller 打字界面（左圖為一行高亮的界面圖 右圖為打字界面的行列編號），圖片來源于：基于P300的腦機接口指令識別 圖2.5 比如要打字符“V”，12次刺激當中，理論上只有編號為10的行和編號為4的列加強才可以誘發出P300腦電波形圖如圖 2.6 所示。根據這個特性利用識別算法找到12次中2次的 P300波形，就可以確定一個字符。

字符"V"的行和列高亮 圖片來源于：基于P300的腦機接口指令識別 圖2.5 ### 2.P300的SD范式 2004年，Guan等人首先提出單項顯示（Single Display, SD）刺激范式，并將該范式應用到 P300字符拼寫實驗中，該系統的刺激界面如下圖所示，36個字符，其中26個英文字符，10個阿拉伯數字字符，整個界面排列成6 x 6行列矩陣。每個字符隨機的閃爍，與經典的刺激范式不同，不是按照行列閃爍，即當某個字符閃爍結束一段時間后，下一個字符才開始閃爍。完成一個字符輸入，需要36次字符的閃爍。同樣受試者需要默數字符的閃爍次數，這樣為加強受試者的注意力。一個round包含36次的閃爍，即每個字符的輸入需要一個round，目標字符出現的概率為1/36，這樣在一次round之后，P300字符輸入系統就可以確定受試者想要輸入的目標字符。

P300 SD范式 圖片來源于: A Comparison of P300-speller Stimuli Presentation Paradigms for Brain-computer Interface

P300的應用

P300的一大應用場景就是腦機接口。由于P300具有如下許多理想的特性，因此其有助于實現BCI系統。首先，波形始終可檢測，并會在精確的刺激下而激發出響應。在測量技術變化不大的情況下，P300波形可以在幾乎所有受試者中誘發，這可能有助于簡化界面設計并提高可用性。接口能夠運行的速度取決于信號存在"噪聲"下的可檢測程度。P300的一個負面特征是，波形的幅度需要取多個記錄的平均值才能隔離信號。

科學研究通常依靠對P300的測量來檢查事件相關電位，尤其是在決策方面。由于認知障礙通常與P300的改變相關，因此該波形可用作衡量各種治療對認知功能的功效的指標。正是因為這些原因，有人建議將其用作臨床標記。P300在臨床研究中有廣泛的用途。

參考
基于P300和SSVEP混合范式腦—機接口研究
基于P300的腦機接口指令識別
A Comparison of P300-speller Stimuli Presentation Paradigms for Brain-computer Interface

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的你对P300事件相关电位知道多少？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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