腦機(jī)接口的原理、研究進(jìn)展及應(yīng)用前景

朱潔儒

摘 要：近十幾年來，腦機(jī)接口得到迅速發(fā)展并且得到廣泛的應(yīng)用。本文綜述了腦機(jī)接口的原理、種類和分類以及腦機(jī)接口的研究進(jìn)展，最后對腦機(jī)接口的應(yīng)用做了切合實(shí)際的展望。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口 原理 研究進(jìn)展 應(yīng)用前景

許多疾病會破壞人腦的神經(jīng)肌肉通道從而阻礙了人腦與外界通信或控制外部環(huán)境，而腦機(jī)接口可以通過分析腦電來識別大腦正在進(jìn)行的各種思維活動(dòng)以及意圖，從而可以使那些喪失外周神經(jīng)肌肉控制能力的患者能夠與外部世界進(jìn)行交流，使大多數(shù)殘疾人恢復(fù)原本的能力和功能。

一、腦機(jī)接口

（一）腦機(jī)接口的概念

BCI正成為腦科學(xué)、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程及人機(jī)自動(dòng)控制研巧領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。它不依賴于腦的外周神經(jīng)和肌肉輸出信息，而在大腦與外部設(shè)備之間建立的直接的交流通道，以彌補(bǔ)人類的某些缺陷或不足。

（二）腦機(jī)接口的原理

BCI系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)信息的雙向傳遞，但是目前對于BCI研究更多的是將大腦信號作為輸入，外部設(shè)備作為輸出。完整的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要由H大模塊組成輸入（信號采集及預(yù)處理）、信號處理（輸入轉(zhuǎn)為輸出）、輸出（機(jī)器能識別的指令），最重要的是第二大模塊即信號處理。

信號采集

受試者頭部戴一個(gè)電極帽（盤裝或支架型電極），采集腦電（EEG）信號，通過導(dǎo)聯(lián)線傳送給放大器，經(jīng)過預(yù)處理，并將信號放大10000倍左右，包括信號的濾波（高低通濾波）和A/D轉(zhuǎn)換，將采集信號信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并存儲于計(jì)算機(jī)中。

腦電信號作為BCI輸入信號，都具有各自的特點(diǎn)，主要有以下幾種：

第一，視覺誘發(fā)電位（VEP），是視覺器官受到光或圖形刺激后，在大腦特定部位所記錄的EEG電位變化。第二，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP），是特定頻率段視覺刺激引發(fā)的腦電變化，可以通過刺激調(diào)整腦電變化幅度，從而達(dá)到控制外界的目的。第三，事件相關(guān)同步/去同步電位，單邊的肢體運(yùn)動(dòng)或想象運(yùn)動(dòng)，對側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生事件相關(guān)去同步電位（ERD），同側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生事件相關(guān)同步電位（ERS）。

（三）腦機(jī)接口的分類

BCI系統(tǒng)有多種分類方式：

1.有創(chuàng)傷系統(tǒng)和無創(chuàng)傷系統(tǒng)

按照信號獲取的位置可分為有創(chuàng)傷系統(tǒng)和無創(chuàng)傷系統(tǒng)兩種。有創(chuàng)傷系統(tǒng)需要將電極放置于大腦內(nèi)部，采集大腦內(nèi)部的電信號，此法更精確，但有一定創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)；無創(chuàng)傷系統(tǒng)；毋需動(dòng)手術(shù)，只需在受試者頭上戴上電極帽以記錄EEG信號，沒有創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)[12]但同時(shí)精確度下降。

2.同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)

按照信號控制的方式不同可分為同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)。同步系統(tǒng)要求受試者必須在特定的時(shí)間產(chǎn)生特定的思維意識，這樣便于信號分析；異步BCI系統(tǒng)則不受時(shí)間的限制，隨時(shí)思維意識，系統(tǒng)自動(dòng)判定并完成相應(yīng)的控制，受試者可以隨心所欲通過思維來完成對外界的控制[12]。

3.在線系統(tǒng)和離線系統(tǒng)

根據(jù)信號處理的實(shí)時(shí)性可分為在線系統(tǒng)和離線系統(tǒng)。在線BCI系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)信號采樣、處理、分析和控制，同時(shí)給受試者反饋；離線BCI系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄EEG數(shù)據(jù)，一般用來評估測試和抽取特征量[12 ，20]。

二、腦機(jī)接口的研究進(jìn)展

（一）基于α波、μ節(jié)律和β節(jié)律的BCI系統(tǒng)

1.基于α波的BCI系統(tǒng)[12，20 -22]

1967年Dewan利用眼球運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波幅度調(diào)節(jié)應(yīng)用于morse電報(bào)電碼的發(fā)送。2005年王黎等人利用自發(fā)的α波對人類疲勞狀態(tài)進(jìn)行評估。2008年。趙麗等人利用α波實(shí)現(xiàn)了對服務(wù)機(jī)器人的控制。

2.基于μ節(jié)律和β節(jié)律的BCI系統(tǒng)[12， 20-21]

在1999年就有學(xué)者利用μ節(jié)律和β節(jié)律控制假肢運(yùn)動(dòng)，2005年Tanaka等人利用μ節(jié)律和β節(jié)律實(shí)現(xiàn)了智能輪椅的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。2010-2012年不斷有學(xué)者利用這兩種節(jié)律研究不同類系的運(yùn)動(dòng)想象產(chǎn)生的腦電信號。

（二）基于慢皮層電位的BCI系統(tǒng)

1999年Kubler等人通過SCO提取控制信號，成功實(shí)現(xiàn)水平或垂直的移動(dòng)電腦屏幕上的光標(biāo)[21]。2003年BirbaumerN等人利用慢皮層電位設(shè)計(jì)了名為思想翻譯器（TTD）的裝置，通過慢皮層電位（SCP）的變化來實(shí)現(xiàn)對外界的控制，使用視覺反饋，實(shí)現(xiàn)了字母拼寫等功能，開關(guān)控制甚至上網(wǎng)等準(zhǔn)確率大于75%[23-24]。

（三）基于P300電位的BCI系統(tǒng)

1988年Farwell和Donch采用P300誘發(fā)電位作為BCI信號輸入設(shè)計(jì)出虛擬打字機(jī)，從P300誘發(fā)電位中“找到”特定字母[25]。2005年Serby等設(shè)計(jì)的BCI采用了不同的信號處理方法也達(dá)到了92.1%的準(zhǔn)確率[26]。

腦機(jī)接口的研究在這十幾年的時(shí)間里獲得了迅猛的發(fā)展，但是腦機(jī)接口的研究需要計(jì)算機(jī)科學(xué)機(jī)科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、智能控制等各個(gè)相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展與融合，才能獲得更加廣闊的前景，會面臨更大的挑戰(zhàn)但同時(shí)也獲得更大的成就。

三、應(yīng)用前景

（一）在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，BCI可以幫助肢體障礙患者提高他們的生活質(zhì)量。現(xiàn)有的研究成功表明，肢體殘障患者恢復(fù)其受損的功能已不是遙不可及。

1.控制周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)簡單的通信

通過BCI能夠使用電腦瀏覽網(wǎng)頁、撥打電話和模擬閱讀等。通過BCI可以控制輪椅、開門、開燈等[12] 。1999 年Chapin 等人用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將大鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)集群電信號轉(zhuǎn)換為水泵控制指令，首次實(shí)現(xiàn)了大腦對外部設(shè)備的直接控制[30]。

2.生物體神經(jīng)“修復(fù)”

通過BCI控制康復(fù)機(jī)器人的方法，輔助傷殘人士進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能重建和生活自理。endprint

（1）感覺功能修復(fù)

（2）言語功能的康復(fù)

（二）在醫(yī)學(xué)以外的其它方面的應(yīng)用[12]

雖然目前BCI系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是為殘疾人提供幫助，但是BCI的用途決不僅僅限于在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用，在其它諸多領(lǐng)域都可以得到廣泛的應(yīng)用。

（1）特殊環(huán)境作業(yè)。例如，宇航員可以應(yīng)用BCI監(jiān)控遠(yuǎn)距離的儀器設(shè)備；通過操控機(jī)器人在危險(xiǎn)或不適宜人工操作的環(huán)境中代替人類工作。

（2）BCI以為電子游戲提供附加控制。當(dāng)前流行的電子游戲是要操作者靠鼠標(biāo)、鍵盤或操縱桿來進(jìn)行操作的，如果能夠?qū)崿F(xiàn)靠“思想”就能完成控制的電子游戲，一定會吸引更多的游戲愛好者。

（3）在藝術(shù)領(lǐng)域。例如生物收音機(jī)、人腦化音樂設(shè)備等。

（4）生物身份識別。

四、結(jié)論

在過去的十幾年中，BCI的研究發(fā)展十分迅猛，人們可以利用BCI直接用腦電信號來表達(dá)思想、控制設(shè)備，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、智能控制等各個(gè)相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展與融合。

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