腦機接口技術(shù)綜述

1、腦機接口技術(shù)綜述標(biāo)準(zhǔn)化文件發(fā)布號：（9312-EUATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-腦機接口技術(shù)的研究綜述摘要腦機接口（ Brain- Computer Interface, BQ）是在大腦和計算機或其他電子設(shè)備 之間建立的不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路（外周神經(jīng)和肌肉組織）的一種全新通 訊和控制技術(shù)。腦機接口作為當(dāng)前神經(jīng)工程領(lǐng)域中最活躍的研究方向之一，在 生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)康復(fù)和智能機器人等領(lǐng)域具有重要的研究意義和巨大的應(yīng)用潛 力，近10年來，腦機接口技術(shù)得到了長足的進步和飛速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在 逐漸擴大。本文概述了基于腦電信號（EEG ）的阮1系統(tǒng)的組成和基本原理、涉及 的

2、關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀，最后分析了腦-機接口技術(shù)目前存在的問題與應(yīng)用前 景。關(guān)鍵詞：腦機接口；腦電信號；特征提?。禾卣鞣诸愐?、引言腦機接口是一種不依賴大腦外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的控制系統(tǒng)，通 過采集和分析人腦生物電信號，在人腦與計算機或其他電子設(shè)備間建立起直接 交流和控制的通道，這樣人就可以直接通過大腦來表達意愿或操縱設(shè)備，而不 需要語言或肢體的動作口為。研究和發(fā)展腦機接口技術(shù)可以幫助肌肉萎縮、脊髓 損傷等神經(jīng)肌肉方面的患者以及交流障礙者有效地完成對外界交流和控制。腦機接口技術(shù)形成于20世紀(jì)70年代，是一門涉及納米技術(shù)、生物技術(shù)、信 息技術(shù)、心理認(rèn)知科學(xué)、計算機科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和應(yīng)用數(shù)學(xué)等多

3、學(xué)科的交 義技術(shù)，20多年來，隨著人們對神經(jīng)系統(tǒng)功能認(rèn)識的提高和計算機技術(shù)的發(fā) 展，BCI技術(shù)的研究呈明顯的上升趨勢，特別是1999年和2002年兩次BQ國際會 議的召開為BQ技術(shù)的發(fā)展指明了方向。目前,BCI技術(shù)已引起國際上眾多學(xué)科科 技工作者的普遍關(guān)注，成為生物醫(yī)學(xué)工程、計算機技術(shù)、通信等領(lǐng)域一個新的 研究熱點。BQ技術(shù)的核心是把用戶輸入的腦電信號轉(zhuǎn)換成輸出控制信號或命令 的轉(zhuǎn)換算法。BQ研究工作中相當(dāng)重要的部分就是調(diào)整人腦和BCI系統(tǒng)之間的相 互適應(yīng)關(guān)系，也就是尋找合適的信號處理與轉(zhuǎn)換算法，使得神經(jīng)電信號能夠?qū)?時、快速、準(zhǔn)確地通過BQ系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成可以被計算機識別的命令或操作信號。 BCI

4、技術(shù)的發(fā)展目前還存在著很多問題，有待于更多的科技工作者致力于深入的 研究。為促進BQ技術(shù)的發(fā)展，本文在查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對BCI的原理、 結(jié)構(gòu)做了較為詳細(xì)的綜述，并對其應(yīng)用前景、存在的問題以及評價標(biāo)準(zhǔn)進行了 探討。二.BO系統(tǒng)的工作原理及其基本結(jié)構(gòu)BCI系統(tǒng)的工作原理神經(jīng)科學(xué)的研究表明，在大腦產(chǎn)生動作意識之后和動作執(zhí)行之前，或者受 試主體受到外界刺激之后，其神經(jīng)系統(tǒng)的電活動會發(fā)生相應(yīng)的改變神經(jīng)電活 動的這種變化可以通過一定的手段檢測出來，并作為動作即將發(fā)生的特征信 號通過對這些特征信號進行分類識別，分辨出引發(fā)腦電變化的動作意圖，再 用計算機語言進行編程，把人的思維活動轉(zhuǎn)變成命令信號驅(qū)動外部

5、設(shè)備，實現(xiàn) 人腦在沒有肌肉和外圍神經(jīng)直接參與的情況下對外部環(huán)境的控制這就是BCI的 基本工作原理腦機接口的基本結(jié)構(gòu)腦機接口技術(shù)是通過信號采集設(shè)備從大腦皮層采集腦電信號經(jīng)過放大、濾 波、A/D轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)換為可以被計算機識別的信號，然后對信號進行預(yù)處理， 提取特征信號，再利用這些特征進行模式識別，最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具 體指令，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。一個典型的腦機接口系統(tǒng)主要包含4個組成部 分：信號采集部分、信號處理部分、控制設(shè)備部分和反饋環(huán)節(jié)。其中，信號 處理部分包括預(yù)處理、特征提取、特征分類3個環(huán)節(jié)。腦機接口的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。反饋環(huán)節(jié)圖1腦機接口技術(shù)信號處理結(jié)構(gòu)框圖1）信號采集部分

6、此部分負(fù)責(zé)通過相關(guān)設(shè)備采集大腦活動產(chǎn)生的電信號。目 前，對腦電信號的采集主要有2種方法：侵入式和非侵入式。侵入式方法是將 電極插入腦皮層下，該方法采集的大腦神經(jīng)元上的腦電信號具有較高的精度， 而且噪聲較小。缺點是無法保證腦內(nèi)的電極長時期地保持結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定， 而且將電極植入腦皮層內(nèi)存在安全問題。祚侵入式方法測量的是頭皮表面的腦 電信號，通過將電極貼附在頭皮上，就可直接獲得人大腦活動產(chǎn)生的腦電信 號，易采集，無創(chuàng)性等特點使之成為BQ技術(shù)研究的主要方向。2）信號處理部分腦電信號的處理主要包括預(yù)處理、特征提取和特征分類3 部分。預(yù)處理主要用于去除腦電信號中具有工頻的雜波、眼電、心電以及肌電 等信號

7、的偽跡。特征提取的主要作用是從腦電信號中提取出能夠反映受試者不 同思維狀態(tài)的腦電特征，將其轉(zhuǎn)換為特征向量作為分類器的輸入。特征提取是 腦電信號處理中十分重要的一步，提取出的特征的好壞將直接影響腦電信號的 識別率。特征分類主要是尋找一個以特征向量為輸入的判別函數(shù)，并且該分類 器能識別出不同的腦電信號。3）控制設(shè)備部分控制設(shè)備主要是把經(jīng)過處理的腦電信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備的 控制指令輸出，從而控制外部設(shè)備實現(xiàn)與外界進行交互的目的。4）反饋環(huán)節(jié)反饋主要是把外部設(shè)備的運行情況等信息反饋給使用者，以便 使用者能實時地調(diào)整自己的腦電信號。三、基于EEG的腦機接口研究方法人和動物的大腦，特別是皮層細(xì)胞，存在著頻繁

8、的自發(fā)電活動，無需任何外 界刺激。從腦電極記錄到的電位是對腦部大量神經(jīng)元活動的反應(yīng)，低至微伏 級，這種電活動的電位隨時間的波動稱為腦電波（EEG） o EEG反應(yīng)了大腦組織的 電活動及大腦的功能狀態(tài)，腦的復(fù)雜活動反應(yīng)在頭皮上的電位活動就是EEG軌跡 5）。所以理論上，人的意圖通過腦電應(yīng)該可以被探測識別出來。BQ的前驅(qū)曾經(jīng) 指出“在理論上，腦的感覺、運動及認(rèn)知意識在自發(fā)EEG中應(yīng)該是可辨識的”， 因此EEG成為BCI研究的首選工具。BQ技術(shù)就是要通過識別這種意圖，將之表達 為對外部設(shè)備的直接控制。111于腦電信號的本質(zhì)還未知，難以確定一種特定的信 號識別方法。假設(shè)腦電信號是線性的，那么大多數(shù)BC

9、I使用的線性識別方法足以 應(yīng)用。反之，則線性識別算法對于希望被識別的信號可能是最糟糕的描述。但 無論何種情況，BQ技術(shù)的首要任務(wù)就是從EEG中識別出人的主觀操作意識，并將 之表達為對外部設(shè)備的直接控制。腦機接口研究中所使用的腦神經(jīng)信號P300 （誘發(fā)電位）P300是一種事件相關(guān)電位（ERP）,在時間相關(guān)刺激300400ms后出現(xiàn)的正電 位，主要位于中央皮層區(qū)域，其峰值大約出現(xiàn)在時間發(fā)生后300ms，相關(guān)事件發(fā) 生的概率越小，所引起的P300越顯著?；赑300的BQ的優(yōu)點是P300屬于內(nèi)部相 應(yīng)，使用者無需通過訓(xùn)練就可產(chǎn)生P300。（2）視覺誘發(fā)電位（誘發(fā)電位）視覺誘發(fā)電位是指從視覺通路的不同

10、水平區(qū)域記錄的不同生物電反應(yīng)，其誘 發(fā)刺激可以是熒光、閃光刺激。視覺誘發(fā)電位乂可以分成短時視覺誘發(fā)電位和 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位兩種。時間相關(guān)同步或時間相關(guān)去同步電位（自發(fā)腦電）單邊的肢體運動或想象運動，大腦同側(cè)產(chǎn)生事件相關(guān)同步電位（ERS）,大腦 對側(cè)產(chǎn)生時間相關(guān)去同步電位（ERD）o ERS、ERD是與運動相關(guān)的,主要位于感覺 運動皮層。皮層慢電位（自發(fā)腦電）皮層慢電位也稱慢波電位（Slow Cortical Poten2tials, SCPs），是皮層電位的變 化，是腦電信號中從300 ms持續(xù)到幾秒鐘的大的負(fù)電位或正電位，能反應(yīng)皮層I和 II層的興奮性,個人可以通過生物反饋訓(xùn)練產(chǎn)生這種電位【

11、7】。自發(fā)腦電信號（自發(fā)腦電）在不同的知覺意識下，人們腦電中的不同節(jié)律呈現(xiàn)出各異的活動狀態(tài)。這 些節(jié)律是受不同動作或思想的影響。按照所在頻段的不同分類，一般采用希臘 字母（a、。、V、5）來表示不同的自發(fā)EEG信號節(jié)律。比如。節(jié)律在813 Hz頻段, 而B節(jié)律則在1322 Hz頻段。采用以上幾種腦電信號作為BCI輸入信號，具有各自的特點和局限。P300和 視覺誘發(fā)電位都屬于誘發(fā)電位，不需要進行訓(xùn)練，其信號檢測和處理方法較簡單 且正確率高。不足之處是需要額外的刺激裝置提供刺激，并且依賴于人的某種 知覺（如視覺）o其它幾類信號的優(yōu)點是可以不依賴外部刺激就可以產(chǎn)生，但需要 大量的特殊訓(xùn)練。3. 2特

12、征提取和轉(zhuǎn)換方法特征提取涉及如何從EEG中提取少量的有用的信息，分別利用這些信息進行 不同腦狀態(tài)的區(qū)分。常用的特征提取的算法如:FFT （ Fast Fourier Transform Algorithm）、相關(guān)性分析、AR （Auto Regression）、參數(shù)估計、CSP （ Common Spatial Patterns） Butter2worth低通濾波、遺傳算法等。算法的選擇與所利用的 信號特征及電極位置有關(guān)。信號處理的目標(biāo)是最終從信號中識別出使用者的意圖并執(zhí)行，系統(tǒng)的首要 任務(wù)就是最大化。信噪比，尤其是當(dāng)噪聲和信號極為相似的時候就顯得更為重 要。提高信噪比的技術(shù)有很多，具體有空間

13、及時間濾波方法、信號平均以及單 次識別方法。BCI轉(zhuǎn)換算法把信號特征（如節(jié)律幅值或神經(jīng)元放電率）轉(zhuǎn)換為具體的控制命令。四、腦機接口的研究進展近些年來，腦機接口技術(shù)得到了飛速發(fā)展。1995年不到6個研究小組，到 1999年研究小組的數(shù)量已超過了20個，現(xiàn)在世界各地有近百個研究小組。1999 年，2000年和2006年3次腦機接口國際會議的召開為腦機接口的發(fā)展推波助瀾。 下面是近些年一些較有影響的腦機接口小組研究成果：奧地利Graz大學(xué)：Pfurtscheller等進行了一系列基于ERD的腦機接口系統(tǒng)研 究，并實現(xiàn)了Graz I和Grazll兩個代表性的腦機接口系統(tǒng)。目前研究的重點是時 域內(nèi)兩種不

14、同的想象運動的分類問題。德國Tubingen大學(xué)：wolpaw等設(shè)計了一個名為思想翻譯器的裝置，通過 慢皮質(zhì)電位的變化來實現(xiàn)對外界的控制，使用視覺反饋，實現(xiàn)了字母拼寫等功 能。美國Wadsworth中心：Wadsworth中心一直研究如何用從運動感覺皮質(zhì)測 得的腦電信號控制指針的一維或二維運動。另外，為了便于比較和評估，他們 研制BCI-2000通用系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在世界上200多個實驗室中使用。中國清華大學(xué)：高上凱等人深入分析了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）的特征 和提取方法，設(shè)計了具有高傳輸速率的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機接口系 統(tǒng)，可用于殘疾人的動作控制或環(huán)境設(shè)備控制等領(lǐng)域。五、腦機接口存

15、在的問題及應(yīng)用前景腦機接口存在的問題BCI是一門新興的研究領(lǐng)域，涉及計算機科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理認(rèn)知科學(xué)、 生物醫(yī)學(xué)工程、數(shù)學(xué)、信號處理、臨床醫(yī)學(xué)、自動控制等多個領(lǐng)域，仍有大量 的問題尚待解決，目前主要存在以下問題：1）信號處理和信息轉(zhuǎn)換速度慢。目前，BQ系統(tǒng)的最大信息轉(zhuǎn)換速度可達68 bit/min,此速度與正常交流時所需的速度相差甚遠(yuǎn)。2）信號識別精度低。目前，基于自發(fā)腦電的BCI系統(tǒng)，對運動想象腦電信號 進行的研究，2類思維任務(wù)的識別率約為90% I。1 3類任務(wù)得到其識別率在80% 左右5。對4類運動得到的識別率僅有70%左右13?？刂浦噶疃鄷r，識別率低 的問題使得BQ系統(tǒng)在實際應(yīng)用中受

16、到了嚴(yán)重的限制。3）信號采集和處理方法需改進。腦電信號采集過程中，夾雜著不少干擾成 分，如肌信號干擾等因此設(shè)計抗干擾能力強的腦電信號采集設(shè)備等問題 有待解決；如何改善信號處理方法使之系統(tǒng)化、通用化，從而快速、精確、有效 地設(shè)計出實用BCI系統(tǒng)的問題也有待研究。4）自適應(yīng)性較差。自適應(yīng)性包括隨時間和空間變化的自適應(yīng)性和隨自身變 化的自適應(yīng)性小。目前, BCI的自適應(yīng)性還比較差。5）缺乏能對BQ系統(tǒng)的性能進行科學(xué)評價的評價標(biāo)準(zhǔn)?？傊?，作為一種新興 的、復(fù)雜的、涉及多學(xué)科的通信技術(shù)，BCI的發(fā)展還很不完善，存在的問題還很 多，有待于科研工作者們下大氣力研究解決。腦機接口機器人的應(yīng)用前景腦機接口機器人

17、采用BQ進行人機交互，由人的思維控制機器人從事各種工 作。腦機接口機器人不僅在殘疾人康復(fù)、老年人護理方面具有顯著的優(yōu)勢，而 且在軍事、人工智能、娛樂等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景口叫1 .在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，腦機接口機器人可以幫助肢體障礙患者提高他們的生活質(zhì) 量，如:（1）與周圍環(huán)境進行交流：BCI機器人可以幫助殘疾人使用電腦、撥打電 話等；（2）控制周圍環(huán)境：BQ機器人可以幫助殘疾人或老年人控制輪椅、家庭 電器開關(guān)等；（3）運動康復(fù)：BQ康復(fù)機器人可以幫助殘疾人或失去運動能力的老年人 進行主動康復(fù)訓(xùn)練，BQ護理機器人可以從事基本護理工作，提高殘疾人或老年 人的生活質(zhì)量。2 .在其他方面的

18、應(yīng)用雖然目前BQ機器人的研究主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是為殘疾人與老年人 提供幫助，但是BCI機器人的用途決不僅僅限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在其他諸多領(lǐng)域都可 以得到廣泛應(yīng)用。（1）特殊環(huán)境作業(yè)：BQ特種機器人可以在危險或不適宜人工操作的環(huán)境 中工作；（2）無人駕駛汽車或飛機：BQ機器人可以幫助我們實現(xiàn)無人駕駛汽車與 飛機的夢想，這不僅在軍事領(lǐng)域意義巨大，同時為殘疾人開辟了更廣闊的活動 空間；（3）為電子游戲增加娛樂功能：用“思想”控制電子游戲是傳統(tǒng)鼠標(biāo)、鍵 盤控制電子游戲的有益補充，會增加游戲的娛樂效應(yīng)。腦機接口機器人是智能機器人的有力補充，有效的人機交互方式會提高智 能機器人的智能化與靈活性，因此腦機接

19、口機器人的研究潛力和應(yīng)用潛力十分 巨大。六、BCI的評價標(biāo)準(zhǔn)由于不同BQ系統(tǒng)的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換算法等存在很大的差異，因此，要做 到對不同的BCI系統(tǒng)進行客觀的科學(xué)評價是比較困難的可能某一種系統(tǒng)針對某 一種應(yīng)用比較有效，對另外的應(yīng)用場合其性能往往并不理想,甚至不能使用對 不同的BQ系統(tǒng)進行比較和評價將有利于BCI的發(fā)展。因此，尋求一種有效的、 合理的、實用的評價方法作為BCI系統(tǒng)性能評定的標(biāo)準(zhǔn)，是BQ發(fā)展中不可缺少 的重要環(huán)節(jié)。通信系統(tǒng)普遍采用的一種性能評價標(biāo)準(zhǔn)是波特率，即單位時間內(nèi)的信息傳 輸量在BCI系統(tǒng)中，波特率既和速度及準(zhǔn)確度有關(guān)，同時也和操作的復(fù)雜程度 有關(guān)程明等人的研究表明，在從兩個

20、選項中進行選擇的系統(tǒng)中，準(zhǔn)確率由80 % 提高到90 %,其信息傳輸率能提高一倍；如果從兩個選項中選取目標(biāo)時的準(zhǔn)確 率是90 %,從四個選項中選取目標(biāo)時的準(zhǔn)確率是65 % ,兩者信息傳輸率將大致 相同。以信息傳輸率為標(biāo)準(zhǔn)來評價BCI的性能是比較客觀和公正的，也許能夠被 大多數(shù)研究者所接受。但由于BCI的應(yīng)用和對其性能要求的千差萬別，要應(yīng)用統(tǒng) 一的、適合于各種BCI系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)進行評估，并不是一件容易的事情，還要對其作 進一步的研究。七、結(jié)束語在過去的十幾年中，BCI的研究發(fā)展得十分迅猛，目前BQ的研究主要是為 某些患者（一般指思維正常但有運動障礙的病人）提供一種與外界交流的手段 或控制外界的方式

21、，并協(xié)助其康復(fù)。隨著對人腦結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識愈加清晰，提 取腦電信號技術(shù)手段不斷提高，以及高效率、低成本計算機的出現(xiàn)，BCI研究人 員將研究出“更快、更準(zhǔn)、更易”的BCI技術(shù)。當(dāng)然，在BQ的發(fā)展中仍存在著 諸多挑戰(zhàn)。比如，目前尚無一個BCI系統(tǒng)可以做到既精確乂能實現(xiàn)快速控制，還 沒有真正的商業(yè)化產(chǎn)品問世?？傊珺CI研究有著廣闊的前景，不僅加強對人自 身的認(rèn)識，同時也將改變?nèi)祟惖纳罘绞健⒖嘉墨I1 Schalk G, Brunner P, Gerhardt LA, et al. Brain-computer interfaces (BCIs): detection instead of clas

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