BCI技術(shù)在現(xiàn)在和未來的應(yīng)用

劉弘毅

腦機(jī)接口（BCI），也被叫作“大腦端口”，它是一種不依靠大腦外周神經(jīng)，由生物的腦電與外部的設(shè)施直接連接的一種接口方式。它將已獲取的腦電信號(hào)，通過已經(jīng)搭建的連接通路傳遞人腦的想要完成的行為動(dòng)作，這樣人就可以直接通過腦內(nèi)所想來完成相應(yīng)的事情，而不需要自身肌體的行動(dòng)。腦機(jī)接口技術(shù)使得由大腦直接控制目標(biāo)機(jī)械或完成動(dòng)作成為可能。

【關(guān)鍵詞】腦機(jī)接口 發(fā)展 應(yīng)用

1 腦機(jī)接口發(fā)展現(xiàn)狀

在近幾年的發(fā)展歷程中，人們對(duì)于腦機(jī)接口的研究層出不窮。同時(shí)連續(xù)幾屆的腦機(jī)接口國際研討會(huì)也為當(dāng)今世界的腦機(jī)接口研究奠定了一個(gè)積極的氛圍。目前，世界上很多國家的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)走在了腦機(jī)接口前沿的領(lǐng)域，并且掌握了很多關(guān)鍵的技術(shù)，下面我們分別加以介紹。

1.1 視覺誘發(fā)電位（Visual Evoked Potential，VEP）

視覺誘發(fā)電位的原理是因?yàn)樯矬w的視網(wǎng)膜接受持續(xù)的刺激，誘發(fā)大腦大腦皮質(zhì)枕葉區(qū)對(duì)視覺刺激發(fā)生一定的生物電反應(yīng)，從而導(dǎo)致電位變化。腦機(jī)接口系統(tǒng)中的視覺誘發(fā)電位依賴于使用者眼睛注視一個(gè)地方的專注度。為了獲得穩(wěn)定的視覺誘發(fā)相應(yīng)，實(shí)驗(yàn)會(huì)對(duì)使用者進(jìn)行生物反饋訓(xùn)練。Middendorf等開發(fā)了基于VEP的BCI系統(tǒng)，他們?cè)谄聊簧显O(shè)置了幾個(gè)以不同頻率閃爍的按鈕，使用者注視其中的一個(gè)按鈕，系統(tǒng)分析VEP的頻率，如果匹配于某個(gè)按鈕閃爍的頻率，就可確定使用者希望選擇的按鈕。他們還利用SSVEP控制飛機(jī)模擬器，其準(zhǔn)確率高達(dá)96%。

在國內(nèi)，清華大學(xué)程明、高上凱教授設(shè)計(jì)了基于SSVEP的環(huán)境控制系統(tǒng)，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能區(qū)分至少48個(gè)目標(biāo)，并且已成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍電子設(shè)備的控制。此外，其他學(xué)者還優(yōu)化了p300和SSVEP的識(shí)別精確。

2 腦機(jī)接口應(yīng)用方向

2.1 腦機(jī)接口用意念輸入信息 或讓腦中風(fēng)患者再次“發(fā)聲”

腦機(jī)接口將最有希望完美實(shí)現(xiàn)用戶希望依靠自己的意念來行動(dòng)、交流、控制設(shè)備的愿望。雖然該技術(shù)已經(jīng)取得了很多成就，比如控制意念完成虛擬環(huán)境的舉起或放下物體，但患有“閉鎖綜合癥”的腦中風(fēng)患者卻一直無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。現(xiàn)在，有研究專家已經(jīng)證實(shí)，腦機(jī)接口將成為讓腦中風(fēng)患者再次“正常交談”生活的有一可能，用自己的腦電信號(hào)將所想表達(dá)的事情展現(xiàn)在屏幕等虛擬環(huán)境中?！坝醒芯勘砻?，腦機(jī)接口對(duì)ALS患者（肌萎縮側(cè)索硬化癥，一種神經(jīng)退行性疾病，會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮）有幫助。”研究領(lǐng)導(dǎo)者EricSellers說道，“但到現(xiàn)在為止都沒有研究專門觀察腦中風(fēng)患者，看看這是否對(duì)他們也有效。”

Sellers耗時(shí)13個(gè)月和一位患有閉鎖綜合癥的腦中風(fēng)患者合作實(shí)驗(yàn)，該患者雖然能感知周圍的環(huán)境變化，但是身體上的肌肉除了眼睛以外其他部位都喪失了機(jī)能。通過頭皮上的電位傳感器來獲取腦電信號(hào)，該研究使用了一種被稱為P300的常見大腦反應(yīng)，這一反應(yīng)會(huì)發(fā)生在檢測到有效刺激后約300毫秒產(chǎn)生反應(yīng)。用戶面前會(huì)放置一個(gè)模擬的電腦鍵盤，使用者要把他們的注意力集中在鍵盤上并腦中思考想要按下的鍵，隨后他們眼前會(huì)快速閃過數(shù)字和字母。當(dāng)用戶需要的字母閃過時(shí)，P300反應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)，然后電腦就會(huì)選擇這個(gè)字母，并且拼出用戶想要說的話。使用腦機(jī)接口，在62次對(duì)話中，該患者能正確拼寫單詞并與家人交流40次。

2.2 腦機(jī)接口機(jī)器人

腦機(jī)接口研究最初的想法是為那些交流有困難的人士或者殘障人士制造一個(gè)工具或者一個(gè)輔助道具，讓他們利用這種道具，去完成自己因?yàn)樯眢w缺陷而不能完成的力所能及的事情。但是隨著人類技術(shù)的發(fā)展，以及日新月異的需求變化，人類對(duì)于智能機(jī)器人的呼聲越來越高，同時(shí)伴隨著腦機(jī)接口技術(shù)研究的熱度，新型的腦機(jī)接口機(jī)器人成為了新的期待產(chǎn)物。腦機(jī)接口機(jī)器人，通過腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了讓使用者隨心所欲的去操控機(jī)器人，完成所想的任務(wù)。這意味著機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境甚至人類難以生存的環(huán)境完成任務(wù)。所以在考古，軍事等重點(diǎn)領(lǐng)域有很大前景。同時(shí)因?yàn)闄C(jī)器人又可以在家庭使用，所以在家庭清潔，娛樂等方面也會(huì)有所建樹。

2.3 醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，腦機(jī)接口技術(shù)在幫助殘障人士和照顧病人方面將大有所為，如：

（1）完善肢體有缺陷的人：BCI技術(shù)可以為肢體有缺陷的人制造智能假肢，假肢可以通過腦電信號(hào)完成使用者想要的動(dòng)作；

（2）BCI技術(shù)也可以成為保姆機(jī)器人：BCI機(jī)器人可以幫助生理有困難的人開門，開燈，控制輪椅等；

（3）運(yùn)動(dòng)康復(fù)：BCI康復(fù)機(jī)器人可以幫助殘疾人或肌體傷病康復(fù)后的病人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。

2.4 游戲娛樂方面

腦機(jī)接口將成為一種擺脫物理限制的新的游樂方式：通過思維來玩游戲，在游戲的世界里讓玩家做到隨心所欲。如果該項(xiàng)技術(shù)能夠發(fā)展到以家用電器的姿態(tài)出現(xiàn)在人的生活中，同時(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于人類的游戲娛樂將會(huì)是一次重大的變革。

3 腦機(jī)接口研究局限性

作為一個(gè)近幾年熱度驟升的科研方向，BCI技術(shù)可以說是集百家之長，所用的知識(shí)設(shè)計(jì)多方面，如：生物特征識(shí)別、數(shù)字信號(hào)處理、算法分析與設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)工程，但是仍有大量的問題尚待解決，目前主要存在以下問題：

（1）傳輸效率太低：整體來看，大多數(shù)BCI技術(shù)信息傳輸率低于20比特每分鐘，所以當(dāng)真正用到實(shí)際之中效率太低。

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定性不高：系統(tǒng)很容易受到外界因素的干擾，而自身又缺乏相應(yīng)的調(diào)整措施。

（3）研究的標(biāo)準(zhǔn)得不到統(tǒng)一：目前BCI技術(shù)因?yàn)闊岫雀唛_發(fā)人員多，導(dǎo)致開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)得不到統(tǒng)一。

（4）很難得到大面積的應(yīng)用：由于不同的試驗(yàn)環(huán)境對(duì)BCI技術(shù)的使用也有所不同，所以造成了同一個(gè)項(xiàng)目改變環(huán)境或改變實(shí)驗(yàn)對(duì)象會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的情況，為項(xiàng)目的大面積使用提出了難題。

（5）為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，是否需要設(shè)置反饋？眾所周知，腦機(jī)接口技術(shù)就是為了方便的讓使用者完成自己所想的行動(dòng)或事物，加上反饋雖然會(huì)提高精度，但是會(huì)讓系統(tǒng)更加復(fù)雜，違背了簡便的初衷。

（6）是否需要對(duì)機(jī)器進(jìn)行前期的配置？就如大家所知道的，讓人去學(xué)習(xí)做一個(gè)工作或者項(xiàng)目，需要大量的時(shí)間訓(xùn)練相關(guān)人員，機(jī)器人更是如此，同時(shí)因?yàn)闄C(jī)器的特性，配置機(jī)器將成為一項(xiàng)更繁雜的工作。

（7）機(jī)器的適應(yīng)能力：因?yàn)锽CI技術(shù)或BCI機(jī)器人工作環(huán)境的特異性，脫離了特定的環(huán)境可能會(huì)造成機(jī)器識(shí)別不準(zhǔn)確，所以機(jī)器不能連續(xù)不間斷工作，而且工作環(huán)境的特定，受試者自身意識(shí)的特異性不能充分發(fā)揮。

（8）因?yàn)閭€(gè)體差異的存在，不能批量去設(shè)置同一款腦機(jī)接口機(jī)器人，所以不同的人需要設(shè)計(jì)不同的方法來設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。即使是同一個(gè)人，由于他（她）的身體原因，情緒因素，目的變化，也可能會(huì)造成已設(shè)計(jì)好的BCI裝置無法繼續(xù)使用。

4 結(jié)束語

BCI作為一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，一旦發(fā)展成熟將會(huì)作為人工智能產(chǎn)業(yè)的又一里程碑式的產(chǎn)品，對(duì)特定人群例如殘疾人，聾啞人的應(yīng)用前景更為廣闊。因?yàn)锽CI技術(shù)發(fā)展的不充分，使得很多的研究機(jī)構(gòu)在對(duì)BCI技術(shù)展開探究，它們基于不同的控制信號(hào)，訓(xùn)練樣本，參數(shù)設(shè)置也各有所異。因?yàn)檫@些原因，以及BCI技術(shù)的不成熟，很多的BCI項(xiàng)目仍然停留在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域，能投入實(shí)際應(yīng)用的少之又少，在BCI領(lǐng)域還有很多的問題需要解決。但是，我相信隨著科學(xué)發(fā)展的進(jìn)步，以及人們?cè)谏窠?jīng)學(xué)，信號(hào)處理方面的技術(shù)改進(jìn)，BCI技術(shù)的發(fā)展將日趨進(jìn)步，新型的可批量應(yīng)用的BCI技術(shù)產(chǎn)品將在不久的將來出現(xiàn)在人類的日常生活中。

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作者簡介

劉弘毅（1999-），男，江蘇省南京市人。安徽省合肥市第八中學(xué)高中在讀。

作者單位

安徽省合肥市第八中學(xué) 安徽省合肥市 230000