腦機信息交互技術綜述

李晨熙 孟慶春 鄂宜陽 鄭憲

摘要：腦機信息交互技術是建立在腦機接口技術（ brain—computer interface， BCI）上的新型技術。對腦機接口技術進行了定義并簡要闡述了其工作原理，從實際應用的角度解釋了BCI技術的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，最后列出了BCI技術存在的弊端和發(fā)展所需面對的難題。

關鍵詞：腦機接口技術;人機交互;人工智能;虛擬現(xiàn)實;信息反饋

中圖分類號：TP18? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0184-02

Abstract： Brain-computer information interaction technology is a new technology based on brain-computer interface （BCI）. The brain-computer interface technology is defined and its working principle is briefly explained. The development status of BCI technology and its future development trend are explained from the perspective of practical application. Finally， the disadvantages and the development problems of BCI technology are listed.

Key words： brain machine interface technology; human interaction; artificial intelligence; Virtual Reality; information feedback

腦機信息交互是指大腦與計算機之間通過非常規(guī)信息交互通路進行信息交換的技術。隨著計算機技術、數(shù)字通訊、電子電路、生物科學、醫(yī)學等科學技術的發(fā)展以及人們對腦科學的探知，上世紀末興起了一門新的技術——腦機接口技術，簡稱BCI。

1腦機接口技術定義及工作原理

1.1定義

BCI技術是指大腦不依靠感官神經(jīng)細胞而直接與計算機等外界事物進行信息交互的技術。

1.2工作原理

BCI技術是先對大腦皮層的腦電信號進行收集，然后對該信號進行過濾和加工，通過信號控制及信息反饋機制來完成腦機信息交互的。[1]通過侵入式與非侵入式的方法，采集大腦的腦電信號，然后篩選出特定的腦電波進行放大和濾波處理，加工處理后的腦電信號由設備轉(zhuǎn)換為控制信號從而實現(xiàn)相應功能，最后給予大腦反饋信息。

1.3可行性

大腦是通過神經(jīng)細胞間突觸的傳遞來接收視覺和聽覺等感官信息的，突觸的信息傳遞由眼細胞等感官細胞受外界信息刺激而產(chǎn)生相應的動作電位，由此，計算機可以記錄并模擬外界信息產(chǎn)生的特定電磁波從而傳遞信息來刺激神經(jīng)細胞接受電信號。

2腦機接口技術分類及應用

2.1分類

2.1.1視覺誘發(fā)電位（visual evoked potential，VEP）

視覺誘發(fā)電位是由視神經(jīng)細胞接受視覺信息而產(chǎn)生的誘發(fā)電位，它分為瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位（transient visual evoked potential，TVEP）和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（steady-state visual evoked potential，SSVEP）。目前我國已經(jīng)開發(fā)設計出了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機接口系統(tǒng)以及電話撥號系統(tǒng)。[2]

2.1.2慢皮層電位（slow cortical potential，SCP）

慢皮層電位是大腦皮層電信號中頻率最低的電位，具有較大的正負電位差，與大腦皮層興奮度相關，當大腦皮層處于興奮狀態(tài)時，呈現(xiàn)出負電位;當大腦皮層靜息時，SCP由負電位向正電位躍遷。因此可用作腦機接口控制信號。

2.1.3事件發(fā)生相關電位P300

當某事件發(fā)生時，事件相關電位P300將在該事件發(fā)生后的300ms左右，處于正向波峰，由此來反映該事件的發(fā)生頻度。早在1988年，研究者就根據(jù)P300電位發(fā)明了虛擬打字機，經(jīng)過不斷改進，字符準確率達到了80%以上。

2.1.4 α波、μ節(jié)律和β波

與眼睛閉合相關的α波是一種自發(fā)的腦電信號，當人們閉眼時，大腦的α波信號增強;睜眼后，α波信號減弱甚至消失，因此可以用作BCI的控制信號。

和運動想象相關的μ節(jié)律和β波也可用作腦機接口控制信號，當人們進行運動想象時，μ節(jié)律的信號增強;而當人們進行思考時，β波的信號顯著增強，β波也可以用來反映大腦活躍程度。[3]

2.2應用

2.2.1新一代人機交互界面

人機交互界面從誕生到現(xiàn)在，一共經(jīng)歷了三個階段：首先是命令行界面（Command-Line Interface，CLI），然后是目前被廣泛使用的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），例如微軟操作系統(tǒng)的電腦桌面就是圖形用戶界面，最后發(fā)展成了新一代的自然用戶界面（Natural User Interface，NUI）。[4]基于BCI技術的人機交互界面操作效率更高，利用范圍更廣。BCI技術的發(fā)展可以使人們可以通過簡單的手勢就能操作NUI界面，而NUI界面的普及也將推動教育的普及，由于具有無紙化的性質(zhì)，信息傳遞將更加方便快捷，使教學質(zhì)量有質(zhì)的飛躍。

2.2.2基于虛擬現(xiàn)實技術的腦機接口

與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術不同，BCI技術顛覆性地改變了與虛擬環(huán)境（virtual environments，VE） 的交互方式。對視覺障礙或聽覺障礙的人來說，VE將使用者周圍的聲音和景象轉(zhuǎn)換為電信號，通過BCI技術傳遞到使用者腦中，使其能夠“聽見”或“看見”。[5]人工耳蝸是迄今為止最成功、臨床應用最普及的腦機接口。人工耳蝸是一種電子設備，由處理器將聲波轉(zhuǎn)換為經(jīng)過特殊編碼形式的電信號，通過植入在大腦皮層上的電極直接刺激與聽力相關的神經(jīng)細胞讓聽覺障礙者恢復或者重新建立新的聽覺系統(tǒng)。

而由于傳遞視覺信息的視網(wǎng)膜和相關的中樞神經(jīng)系統(tǒng)相對更加復雜，使得視覺修復技術仍然處于研究階段。

2.2.3智能機器人遠端控制

隨著智能機器人技術的不斷發(fā)展，人們可以通過BCI技術遠程控制機器人用于實際生活，甚至是軍事戰(zhàn)爭。人們可以通過對機器人的思維操控，完成一些高危工作，例如高空作業(yè)、深海探究、戰(zhàn)爭機器乃至地外探索等，在高效完成任務的同時 為人們提供了安全保障。

2.2.4基于腦機接口技術的人工智能算法

人工智能必是未來科技的主力軍，人工智能可用于醫(yī)療、軍事、科技、生活等諸多領域，基于BCI技術的人工智能算法的完善，將為人們提供更為智能的人機交互方式。人工智能技術可以應用于生活中的方方面面，智能家電、汽車的無人駕駛技術等，都將為人們的生活和出行帶來便利。

2.2.5無聲通信

通過BCI技術可以將人類語言進行數(shù)字編碼，形成語言數(shù)據(jù)庫，將人們所想的話語轉(zhuǎn)換為文字信息，顯示在用戶界面當中，進而轉(zhuǎn)換為聲波信號進行信息交流，甚至可以直接編碼為聲波信號與他人進行信息傳遞。

3腦機接口技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

BCI技術起源于20世紀70年代，近年來隨著計算機技術、生物科學、電子信息、信息通訊、神經(jīng)科學等領域的飛速發(fā)展，人們對BCI技術的研究也取得了突破性的進展。人們已經(jīng)可以利用BCI技術在電腦桌面上移動光標，甚至可以輸入字符。在軍事訓練方面也得到了應用，飛行員可以通過BCI模擬器對飛行模擬器進行控制。[6]一些實驗室已經(jīng)可以通過BCI技術從猴和鼠的大腦皮層上記錄腦電信號來實現(xiàn)運動控制。實驗讓猴想象給定的任務動作而不進行任何實際運動便可以操控屏幕上的移動光標，而且還可以控制機械手臂來完成一些簡單的任務動作。另外在貓身上進行的研究對視覺信號也完成了一定的解析。

迄今為止，人類已經(jīng)可以修復一些聽覺、視覺等感覺功能。但目前的BCI技術還有待深入研究，BCI也將朝著更貼近于人們生活的方向發(fā)展，未來BCI技術甚至可以移植于移動終端，取代智能手機，成為新一代的移動終端，更加方便使用者去使用。

4腦機接口技術未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

腦機接口技術發(fā)展至今還未成熟，尚處于實驗探索的初級階段。目前，雖然經(jīng)過大量的實驗及研究已經(jīng)證明了BCI技術的可行性，但同時也體現(xiàn)了BCI技術的不穩(wěn)定性以及不可靠性。BCI技術最明顯的缺點就是信息傳遞速率非常低，難以滿足人們使用該技術的日常需求，大腦與計算機的直接信息交互也無法保障傳遞信息的安全性、完整性與穩(wěn)定性，而長期與電子設備之間的接觸也難免不會對大腦造成輻射危害。

因此，提高信息的傳遞速率，建立穩(wěn)定信息傳遞通道，減小設備的電磁輻射是推廣BCI技術的關鍵難題。

5結(jié)束語

腦機信息交互技術擁有著無限的可能性，隨著BCI技術的不斷發(fā)展，人們的生活將會變得更加便利，雖然該領域還屬于研究摸索的階段，但是從目前的實驗成果來看，腦機信息交互技術將會快速發(fā)展并且不斷地走向成熟。

參考文獻：

[1] 李勃.腦機接口技術研究綜述[J].數(shù)字通信，2008，40（4）：5-8.

[2] 高諾.腦機接口技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機器人技術與應用，2008（4）：16-19.

[3] 劉鐵軍.基于運動想象的腦機接口關鍵技術研究[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2014，33（6）：644-651.

[4] 徐振國.新一代人機交互：自然用戶界面的現(xiàn)狀、類型與教育應用探究[J].遠程教育雜志，2018（4）：39-48.

[5] 周忠.虛擬現(xiàn)實增強技術綜述[J].中國科學：信息科學，2015，45（2）：157-180.

[6] 孔麗文.基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的腦機接口技術研究進展[J].電子測量與儀器學報，2015，29（3）：317-327.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】