腦機(jī)接口技術(shù)

　　背景

　　直接用大腦思維活動(dòng)的信號與外界進(jìn)行通信，甚至實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的控制，是人類自古以來就追求的夢想。自從1929年HansBerger第一次記錄了腦電圖以來，人們一直推測它或許可以用于通信和控制，使大腦不需要通常的媒介—外周神經(jīng)和肢體的幫助而直接對外界起作用。然而，由于受當(dāng)時(shí)整體科技水平的限制，加之對大腦思維機(jī)制了解尚少，這方面的研究進(jìn)展甚微。

　　腦機(jī)接口(Brain-ComputerInterface，BCI)技術(shù)形成于20世紀(jì)70年代(1973年，Vidal)，是一種涉及神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、模式識別等多學(xué)科的交叉技術(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(jì)算機(jī)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BCI國際會(huì)議的召開為BCI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(jì)算機(jī)技術(shù)、通信等領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

　　BCI簡介

　　BCI是一種連接大腦和外部設(shè)備的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。BCI系統(tǒng)可以把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令，并代替人的肢體或語言器官實(shí)現(xiàn)人與外界的交流以及對外部環(huán)境的控制。換言之，BCI系統(tǒng)可以代替正常外圍神經(jīng)和肌肉組織，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間或人與外部環(huán)境之間的通信。

　　BCI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。BCI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)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確地通過BCI系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成可以被計(jì)算機(jī)識別的命令或操作信號。

　　BCI系統(tǒng)原理及概念

　　神經(jīng)科學(xué)的研究表明，在大腦產(chǎn)生動(dòng)作意識之后和動(dòng)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(dòng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變.神經(jīng)電活動(dòng)的這種變化可以通過一定的手段檢測出來，并作為動(dòng)作即將發(fā)生的特征信號.通過對這些特征信號進(jìn)行分類識別，分辨出引發(fā)腦電變化的動(dòng)作意圖，再用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，把人的思維活動(dòng)轉(zhuǎn)變成命令信號驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在沒有肌肉和外圍神經(jīng)直接參與的情況下，人腦對外部環(huán)境的控制.這就是BCI的基本工作原理。

　　第一次BCI國際會(huì)議給出的BCI的定義是：“腦計(jì)算機(jī)接口(BrainComputerInterface)是一種不依賴于正常的由外圍神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)”。BCI完全不依賴肌肉和外圍神經(jīng)的參與，直接實(shí)現(xiàn)腦和計(jì)算機(jī)的通信.這對完全沒有活動(dòng)能力的患者(如腦中風(fēng)，肌萎縮性(脊髓)側(cè)索硬化，腦癱等)的輔助治療和語言功能、行為能力的恢復(fù)，對特殊環(huán)境中外部設(shè)備的控制，甚至對娛樂方式的改進(jìn)都具有非常重要的意義。

　　BCI系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　基于各種不同的需求，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行演示的基于腦電的BCI原型系統(tǒng)。原理上，BCI系統(tǒng)一般由輸入、輸出和信號處理及轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)組成。輸入環(huán)節(jié)的功能是產(chǎn)生、檢測包含有某種特性的腦電活動(dòng)特征信號，以及對這種特征用參數(shù)加以描述。信號處理的作用是對源信號進(jìn)行處理分析，把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成用某些特征參數(shù)(如幅值、自回歸模型的系數(shù)等)表示的數(shù)字信號，以便于計(jì)算機(jī)的讀取和處理，并對這些特征信號進(jìn)行識別分類，確定其對應(yīng)的意念活動(dòng).信號轉(zhuǎn)換是根據(jù)信號分析、分類之后得到的特征信號產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或操作命令，對輸出裝置進(jìn)行操作，或直接輸出表示患者意圖的字母或單詞，達(dá)到與外界交流的目的。作為連接輸入和輸出的中間環(huán)節(jié)，信號分析與轉(zhuǎn)換是BCI系統(tǒng)的重要組成部分。在訓(xùn)練強(qiáng)度不變的情況下，改進(jìn)信號分析與轉(zhuǎn)換的算法，可以提高分類的準(zhǔn)確性，以優(yōu)化BCI系統(tǒng)的控制性能。BCI系統(tǒng)的輸出裝置包括指針運(yùn)動(dòng)、字符選擇、神經(jīng)假體的運(yùn)動(dòng)以及對其他設(shè)備的控制等。

　　BCI的分類

　　第一次BCI國際會(huì)議根據(jù)輸入信號的性質(zhì)把BCI系統(tǒng)分成兩大類，即：使用自發(fā)腦電信號的BCI系統(tǒng)和使用誘發(fā)腦電信號的BCI系統(tǒng)。

　　基于自發(fā)腦電的BCI系統(tǒng)是應(yīng)用自發(fā)腦電作為系統(tǒng)的輸入特征信號。其特點(diǎn)是，受試者經(jīng)過訓(xùn)練之后能夠自主地控制腦電變化，從而直接控制外部環(huán)境，但通常需要對受試者進(jìn)行大量的訓(xùn)練，容易受其身體狀況、情緒、病情等各種因素的影響。

　　誘發(fā)腦電信號的BCI系統(tǒng)使用外在刺激誘發(fā)大腦皮層相應(yīng)部位的電活動(dòng)產(chǎn)生變化，并以其作為特征信號。外部誘發(fā)BCI系統(tǒng)不需要對受試者進(jìn)行過多的訓(xùn)練，但需要特定的環(huán)境(如排成矩陣的閃爍視覺刺激輸入)，這不利于系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

　　在系統(tǒng)輸出模式上，前者能使操作者把指針移到任意的二維或者多維位置，而后者只能使操作者在所列出的選項(xiàng)中進(jìn)行選擇。根據(jù)信號檢測的方式不同，也可以把BCI分為電極內(nèi)置式和電極外置式兩種基本形式。

　　電極內(nèi)置式信號檢測方法使電極直接和大腦皮層接觸或進(jìn)入大腦皮層，測量的信號噪聲小、損失低，但由于涉及外科手術(shù)，操作復(fù)雜，需要具有專業(yè)技術(shù)的操作人員，而且容易感染。

　　電極外置式信號檢測方法，操作簡單，安全，有利于BCI系統(tǒng)的推廣，但由于電極距離信號源較遠(yuǎn)，噪聲較大.在BCI系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用何種方案應(yīng)根據(jù)信號的特征、測量技術(shù)的水平以及實(shí)際要求的精度等因素綜合考慮。

　　BCI關(guān)鍵技術(shù)

　　BCI系統(tǒng)由信號的產(chǎn)生、處理、轉(zhuǎn)換、輸出以及開關(guān)和時(shí)鐘等單元組成。在BCI技術(shù)的發(fā)展中，信號分析和轉(zhuǎn)換算法是其最為重要的研究內(nèi)容。

　　源信號的獲取

　　BCI源信號的獲取過程包括信號的產(chǎn)生、檢測(電極記錄)、信號放大、去噪和數(shù)字化處理等。

　　人類大腦能夠產(chǎn)生多種信號，包括電的、磁的、化學(xué)的以及對大腦活動(dòng)的機(jī)械反應(yīng)等各種形式。這些信號可以通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測，從而使得BCI的實(shí)施成為可能。由于對磁和化學(xué)等信號的檢測技術(shù)需要更高的要求，目前BCI信號的獲取主要基于技術(shù)相對簡單、費(fèi)用較為低廉的EEG檢測技術(shù)。

　　信號的產(chǎn)生

　　根據(jù)要獲取的信號的特征和性質(zhì)，必須采取相應(yīng)的產(chǎn)生特征信號的方法。信號產(chǎn)生方式包括利用視覺誘發(fā)電位、利用事件相關(guān)電位、模擬虛擬環(huán)境以及自主控制腦電等多種形式。

　　信號的檢測

　　信號的檢測方法依賴于待測神經(jīng)電信號的性質(zhì).根據(jù)電極類型，BCI系統(tǒng)可以分為電極內(nèi)置式和電極外置式兩種基本形式。

　　信號的處理方法

　　BCI系統(tǒng)中的信號處理包括信號預(yù)處理、特征提取、識別分類等過程.傳統(tǒng)的腦電信號分析方法是對信號進(jìn)行多次檢測并進(jìn)行均值濾波，再用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法尋找EEG的變化規(guī)律.這種方法信息傳輸率低，也不能滿足實(shí)時(shí)控制的需求.目前對EEG信號的處理一般采用對單次訓(xùn)練信號進(jìn)行研究.其中特征提取和識別分類是BCI信號處理最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

　　BCI中的特征提取方法

　　特征提取就是以特征信號作為源信號，確定各種參數(shù)并以此為向量組成表征信號特征的特征向量.特征參數(shù)包括時(shí)域信號(如幅值)和頻域信號(如頻率)兩大類，相應(yīng)的特征提取方法也分為時(shí)域法、頻域法和時(shí)-頻域方法。

　　特征信號的分類識別

　　特征信號分類是基于腦電信號根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)或意識能使腦電活動(dòng)產(chǎn)生不同響應(yīng)的特性，確定運(yùn)動(dòng)或意識的類型與特征信號之間的關(guān)系.信號分類結(jié)果的好壞取決于兩個(gè)方面的因素：一是要進(jìn)行分類的特征信號是否具有明顯的特征，即特征信號的性質(zhì)；二是分類方法是否有效。幾種具有代表性的BCI特征信號分類綜述如下：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；貝葉斯-卡爾曼濾波；線性判別分析；遺傳算法；概率模型。

　　BCI的應(yīng)用

　　作為一種多學(xué)科交叉的新興通信技術(shù)，目前，BCI的研究大多處于理論和實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。但從其性能來看，BCI系統(tǒng)及其技術(shù)將在涉及人腦的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，尤其是對于活動(dòng)能力嚴(yán)重缺失患者的能力恢復(fù)和功能訓(xùn)練具有重要意義。目前，對BCI應(yīng)用的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

　　交流功能

　　這類研究的目的是提高語言功能喪失患者與外界的交流能力。

　　環(huán)境控制

　　目前，對BCI環(huán)境控制的研究主要是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).虛擬現(xiàn)實(shí)具有相對安全和目標(biāo)可移動(dòng)的特點(diǎn)，它能為訓(xùn)練和調(diào)整神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)提供一個(gè)安全可靠的環(huán)境。受試者大腦發(fā)出操作命令，這種命令不是由肌肉和外圍神經(jīng)傳出并執(zhí)行，而是由BCI系統(tǒng)經(jīng)過檢測、分析和識別相應(yīng)的腦電信號，確定要進(jìn)行的操作，然后由輸出裝備對目標(biāo)進(jìn)行控制。

　　運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)

　　由BCI系統(tǒng)完成腦電信號的檢測和分類識別過程，然后把命令輸出給神經(jīng)假體，完成已經(jīng)失去功能的外圍神經(jīng)應(yīng)有的功能，或者把命令信號輸出給輪椅上的命令接受系統(tǒng)，完成運(yùn)動(dòng)、行走等功能，使四肢完全喪失功能的患者能夠在無人照看的情況下自己進(jìn)行一些簡單的活動(dòng)，或進(jìn)行功能性的輔助訓(xùn)練。

　　其他領(lǐng)域的應(yīng)用

　　從理論上講，只要有神經(jīng)電參與的通信系統(tǒng)，都可以應(yīng)用BCI技術(shù)，如適用于殘疾人的無人駕駛汽車，就是把操作過程中腦電信號的一系列變化，由BCI系統(tǒng)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)換成操作命令，實(shí)現(xiàn)無人直接駕駛的目的。