Impact of Speller Size on a Visual P300 Brain-Computer Interface (BCI) System under Two Conditions of Constraint for Eye Movement

Abstract

The vast majority of P300-based brain-computer interface (BCI) systems are based on the well-known P300 speller presented by Farwell and Donchin for communication purposes and an alternative to people with neuromuscular disabilities, such as impaired eye movement. The purpose of the present work is to study the effect of speller size on P300-based BCI usability, measured in terms of effectiveness, efficiency, and satisfaction under overt and covert attention conditions. To this end, twelve participants used three speller sizes under both attentional conditions to spell 12 symbols. The results indicated that the speller size had, in both attentional conditions, a significant influence on performance. In both conditions (covert and overt), the best performances were obtained with the small and medium speller sizes, both being the most effective. The speller size did not significantly affect workload on the three speller sizes. In contrast, covert attention condition produced very high workload due to the increased resources expended to complete the task. Regarding users’ preferences, significant differences were obtained between speller sizes. The small speller size was considered as the most complex, the most stressful, the less comfortable, and the most tiring. The medium speller size was always considered in the medium rank, which is the speller size that was evaluated less frequently and, for each dimension, the worst one. In this sense, the medium and the large speller sizes were considered as the most satisfactory. Finally, the medium speller size was the one to which the three standard dimensions were collected: high effectiveness, high efficiency, and high satisfaction. This work demonstrates that the speller size is an important parameter to consider in improving the usability of P300 BCI for communication purposes. The obtained results showed that using the proposed medium speller size, performance and satisfaction could be improved.

Estudio preliminar de la usabilidad de tres tamaños de teclados basados en Interfaces Cerebro-Computador por pacientes con ELA

“…Por lo tanto, para todos los sujetos, el teclado pequeño es el menos Medina-Juliá, M. T.; Fernández-Rodríguez, A.; Velasco-Álvarez, F.; Ron-Angevin, R. Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons CC BY-NC-ND 4.0 EDITORIAL UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA recomendado. Comparando el resultados de estos sujetos con los obtenidos por (Ron-Angevin et al, 2019), tanto los participantes de este experimento como los sujetos sanos consiguieron sus puntuaciones máximas en el mismo rango de secuencias (i.e., entre 4 y 6). Estos resultados también concuerdan con los obtenidos por (Ryan et al, 2018) por otros participantes con ELA que controlaron una matriz de 6×6, pues obtuvo que los participantes necesitaron entre 4 y 7 secuencias para alcanzar su puntuación máxima.…”

“…En dicho estudio se obtuvo una carga total media de 47.64 ± 14.87, la cual engloba a los resultados obtenidos para el teclado grande de tres de los participantes del presente estudio, excepto P1, el cual declaró una carga de trabajo muy por encima de la media (70.67). En (Ron-Angevin et al, 2019), las medias de carga de trabajo para cada uno de los tamaños (pequeño: 40.4 ± 7.2, mediano: 38.22 ± 4.8, grande: 41.2 ± 6.4) engloban los resultados de los tres teclados de P3 y los de los teclados medianos de P1 y P4, mientras que son menores con respecto a los resultados de los teclados grande y pequeño de P1 y P4, y mayores con respecto a los tres de P2.…”

“…Pero ninguno nos da información suficiente para determinar un tamaño óptimo de teclado en cuanto al tamaño de símbolos y distancia entre ellos. Por otra parte, (Ron-Medina-Juliá, M. T.; Fernández-Rodríguez, A.; Velasco-Álvarez, F.; Ron-Angevin, R. Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons CC BY-NC-ND 4.0 EDITORIAL UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA Angevin et al, 2019) propone en su trabajo un tamaño de teclado óptimo entendido desde el punto de vista de la usabilidad bajo dos condiciones opuestas de movilidad ocular (permitiendo dirigir la mirada al símbolo de interés y manteniendo la mirada en el centro del teclado). El trabajo anterior concluyó que el teclado mediano es el que mejores prestaciones presenta en cuanto al rendimiento (empatado en esta dimensión con el pequeño) y la satisfacción.…”

“…Por tanto, el objetivo del presente trabajo es evaluar de manera preliminar el efecto que provocan en pacientes, diagnosticados con ELA, los tres tamaños de teclados probados por (Ron-Angevin et al, 2019). Los resultados de los participantes fueron analizados individualmente para buscar tendencias relacionas con cualquiera de los teclados.…”

Single-Option P300-BCI Performance Is Affected by Visual Stimulation Conditions

“…This is because the characteristics of the visual stimuli provide the framework to interact with the system, to select targets, and, consequently, to evoke P300 responses. Indeed, parameters, such as shape, size, color, and type of flash, may enhance or diminish the difference between target and non-target responses and, thus, may influence the performance of the machine-learning model [ 20 , 21 , 22 ]. Therefore, an alternative to improve the accuracy and reliability of P300-BCIs is to employ stimuli properties that evoke stronger P300 responses [ 23 ] and that might also elicit other ERP components that occur before or after the P300 [ 24 ].…”