腦機(jī)接口概述課件

腦-機(jī)接口概述腦-機(jī)接口概述研究背景2肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥腦中風(fēng)腦或脊髓損傷腦癱其他疾病研究背景2肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥腦-機(jī)接口的定義腦機(jī)接口（英語(yǔ)：brain-computerinterface，簡(jiǎn)稱BCI；有時(shí)也稱作directneuralinterface或者brain-machineinterface），是在人或動(dòng)物腦與外部設(shè)備間創(chuàng)建的直接連接通路。不依賴于腦的正常輸出通路(外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織)的腦-機(jī)(計(jì)算機(jī)或其它裝置)通訊系統(tǒng)。3腦-機(jī)接口的定義腦機(jī)接口（英語(yǔ)：brain-computer第一章緒論----研究背景4第一章緒論----研究背景4BCI的基本構(gòu)成5信號(hào)采集信號(hào)預(yù)處理特征提取分類外部設(shè)備BCI的基本構(gòu)成5信號(hào)信號(hào)特征提取分類外部設(shè)備腦電記錄方法6功能核磁共振（fMRI）近紅外線成像（fNIR)腦磁圖(MEG）正電子發(fā)射斷層成像（PET）腦電圖（EEG）腦電記錄方法6功能核磁共振（fMRI）BCI分類基于視覺誘發(fā)電位的BCI基于P300信號(hào)的BCI基于皮層慢電位的BCI基于感知運(yùn)動(dòng)節(jié)律的BCI7BCI分類基于視覺誘發(fā)電位的BCI7基于視覺誘發(fā)電位的BCI研究表明，當(dāng)受到一個(gè)固定頻率的視覺刺激的時(shí)候，人的大腦視覺皮層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的與刺激頻率有關(guān)(刺激頻率的基頻或倍頻處)的響應(yīng)。這個(gè)響應(yīng)被稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-StateVisualEvokedPotentials，SSVEP)，它可以可靠的應(yīng)用于腦-機(jī)接口系統(tǒng)(BCIs)。8基于視覺誘發(fā)電位的BCI研究表明，當(dāng)受到一個(gè)固定頻率的視覺刺目前使用較多的是ssVEP，典型的研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)wrightPatterson空軍基地和清華大學(xué)。wrightPatterson空軍基地的McMillan和Calhoun對(duì)SSVEP進(jìn)行了研究，并利用SSVEP實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行模擬器的控制。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)在VEP這方面取得了一定的成績(jī)，開發(fā)了基于ssVEP的BCI系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過腦電信號(hào)控制空調(diào)和電視，甚至啟動(dòng)語(yǔ)音播放器和撥打電話等；他們又利用VEP成功開發(fā)出一套“腦控電話撥號(hào)系統(tǒng)”。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)何慶華等人一。設(shè)計(jì)了基于同頻次復(fù)合刺激方式的腦機(jī)接口系統(tǒng)。9目前使用較多的是ssVEP，典型的研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)wright清華大學(xué)腦機(jī)接口用“思維”來控制電器開關(guān)和物體移動(dòng)，這種科幻電影里面的景象如今被我國(guó)科學(xué)家通過“腦機(jī)接口技術(shù)”變成了現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在做的測(cè)試是用“思維”來?yè)艽螂娫?。測(cè)試者只需盯著鍵盤上某個(gè)按不同頻率在閃爍的數(shù)字，電腦就會(huì)自動(dòng)把這個(gè)數(shù)字撥出來。10清華大學(xué)腦機(jī)接口用“思維”來控制電器開關(guān)和物體移動(dòng)，這種科幻1111基于P300信號(hào)的BCIERP是人類受到某種外界刺激或進(jìn)行特殊心理活動(dòng)時(shí)，因腦神經(jīng)元活動(dòng)而產(chǎn)生的特定EEG變化．P300一ERP是由小概率事件(視覺、聽覺、觸覺等形式)誘發(fā)的一種ERP，因?qū)?yīng)于事件發(fā)生約300毫秒后EEG中的一個(gè)正電位波形而得名．基于P300電位的BCI利用特定的事件刺激序列，誘發(fā)使用者的P300電位，通過P300的發(fā)生時(shí)刻來判斷用戶的意識(shí)活動(dòng)．這種類型的BCI特別適合從多個(gè)選項(xiàng)中選擇一個(gè)目標(biāo)的操作12基于P300信號(hào)的BCIERP是人類受到某種外界刺激或進(jìn)行特1313基于皮層慢電位的BCI皮層慢電位（SCP）是持續(xù)時(shí)間為幾百毫秒到幾秒的皮層電位變化，是腦電信號(hào)中從300毫秒持續(xù)到幾秒鐘的大的負(fù)電位或正電位，能反映皮層I和II層的興奮性，被試通過反饋訓(xùn)練學(xué)習(xí)，可以自主控制SCP幅度產(chǎn)生正向或負(fù)向偏移。健康人可以經(jīng)過訓(xùn)練控制大腦中慢皮層電位的變化，平靜時(shí)為正向，進(jìn)行某種心理活動(dòng)時(shí)為負(fù)向，這被稱為慢皮層電位的自調(diào)整。14基于皮層慢電位的BCI皮層慢電位（SCP）是持續(xù)時(shí)間為幾百毫基于感知運(yùn)動(dòng)節(jié)律的BCI運(yùn)動(dòng)感知節(jié)律由

和

節(jié)律組成，它們是腦活動(dòng)位于

頻帶（7-13赫茲），

頻帶（13-30赫茲）的波動(dòng)。大腦的活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)任務(wù)相關(guān)的時(shí)候，感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律會(huì)發(fā)生改變，更為重要的是，僅僅是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象也會(huì)反應(yīng)在感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律的變化當(dāng)中。15基于感知運(yùn)動(dòng)節(jié)律的BCI運(yùn)動(dòng)感知節(jié)律由和節(jié)律事件相關(guān)去同步/同步當(dāng)執(zhí)行或僅僅是想象運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常會(huì)伴隨著特定頻率帶能量的降低，這種現(xiàn)象被命名為事件相關(guān)去同步（Event-relateddesynchronization，ERD）；相反的，運(yùn)動(dòng)之后能量的增加則意味著事件相關(guān)同步（Event-relatedsynchronization，ERS）現(xiàn)象的發(fā)生。16事件相關(guān)去同步/同步當(dāng)執(zhí)行或僅僅是想象運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常會(huì)伴隨著特17171818191920202121ThedatashowthathandmotorimageryinducedinasignificantmuERDinallsubjects,whereasfootand/ortonguemotorimageryrevealedasignificantERSinanumberofsubjectsonly.Themostreactivefrequencycomponentsvariedbetween9and14Hzandarefoundatallcentralelectrodepositionsandmotortasks.22Thedatashowthathandmotor目前比較著名的基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI研究有WadsworthBCI,BerlinBCI,GrazBCI等23目前比較著名的基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI研究有Wadsworth幾個(gè)比較著名的腦-機(jī)接口奧地利Graz理工大學(xué)Pfurtscheller等人采用事件相關(guān)同步/去同步電位作為BCI信號(hào)輸入。在這套系統(tǒng)中，受試者可以控制光標(biāo)的移動(dòng)。視頻24幾個(gè)比較著名的腦-機(jī)接口奧地利Graz理工大學(xué)24美國(guó)Wadsworth中心Wolpaw等人訓(xùn)練受試者自由調(diào)節(jié)自身節(jié)律，并通過節(jié)律的變化來實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)、字母拼寫和假肢控制等功能。由于靈活控制自身節(jié)律變化比較困難，所以并不是每個(gè)受試者都能學(xué)會(huì)使用這套裝置。25美國(guó)Wadsworth中心25德國(guó)Tübingen大學(xué)Birbaumer等人設(shè)計(jì)了一個(gè)名為思想翻譯器（ThoughtTranslationDevice，TTD）的裝置，通過慢皮層電位的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的控制，使用視覺反饋，實(shí)現(xiàn)了字母拼寫等功能。26德國(guó)Tübingen大學(xué)26美國(guó)伊利若斯大學(xué)Farwell和Donchin采用P300誘發(fā)電位作為BCI信號(hào)輸入。在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示一個(gè)6′6包含36個(gè)字母的格子，使用者要求選擇一個(gè)特定字母，每行和每列都在閃爍，頻率為10Hz，計(jì)算對(duì)每行和每列閃爍的平均反應(yīng)，測(cè)量P300幅值。對(duì)包含特定字母的行和列的反應(yīng)幅度最大，根據(jù)這個(gè)特性就可以從P300誘發(fā)電位中“找到”特定字母。27美國(guó)伊利若斯大學(xué)27美國(guó)Smith-Kettlewell視覺科學(xué)研究所Sutter等人設(shè)計(jì)的腦反應(yīng)接口以對(duì)視覺刺激反應(yīng)中所產(chǎn)生的視覺誘發(fā)電位作為BCI信號(hào)輸入，通過誘發(fā)電位選擇計(jì)算機(jī)顯示屏上某一特定部分，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)選擇的功能。28美國(guó)Smith-Kettlewell視覺科學(xué)研究所28我國(guó)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(jì)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(jī)接口系統(tǒng)，可用于殘疾人的動(dòng)作控制或環(huán)境設(shè)備控制等領(lǐng)域。29我國(guó)清華大學(xué)293030腦機(jī)接口面臨的問題與挑戰(zhàn)目前提出的方法很多，但是不是所有的方法都能在實(shí)際的系統(tǒng)中應(yīng)用，因?yàn)檎嬲龑?shí)用的系統(tǒng)必須能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線處理，還要解決個(gè)體參數(shù)優(yōu)化、“腦”與“機(jī)”交互適應(yīng)、“休閑狀態(tài)”。31腦機(jī)接口面臨的問題與挑戰(zhàn)目前提出的方法很多，但是不是所有的方腦電信息的解析信號(hào)的實(shí)時(shí)在線處理個(gè)體參數(shù)優(yōu)化的問題腦-機(jī)交互適應(yīng)學(xué)習(xí)的問題異步的BCI系統(tǒng)工作模式32腦電信息的解析信號(hào)的實(shí)