脑机接口研究概述

１ 绪论
脑． 机接口 （ ｂ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ，Ｂ Ｃ Ｉ ）脑是 在人 脑与 计 算 机或 其他 电子 设 备之 间建立 直接 的交 流和 控 制的通 道 。 Ｂ Ｃ Ｉ 建立 的人脑 与外 部计算 交流控 制的通 道不 依赖正 常的 由外周 神经和肌 肉组 成的输 出通路 的通 信系统 ，控制信 号直接来 自中枢 神经 系统并被转 化为外部 的控 制信号 ，是 一种全新 的交流 和控制方 式 】 。 目前 ，Ｂ Ｃ Ｉ 常 用的脑 信号有脑活动产生 的电磁信 号、脑 活动代谢信 号，这些信号的获取方式有很大区别 ，同时这些信号在不同的空间 、时 间尺度上反映了 中枢神经系统的活动状态 。根据不 同的研究 目的 ，许多 研究机构都在某一种信号基础上深入研究取得 了较为理想的结果。 Ｂ Ｃ Ｉ 诞生 之初 就 引起 了人 们极 大 的关 注 度 ，许 多研 究 者对 此 技 术展 开 了合 理 的科学 幻想 ，但 受 制与 当时 的信 息 技术 水平 ，直 到近 ２ Ｏ 年 得 益 于信 息技 术 、神 经 工程 等 学科 的 发展 ，各类 Ｂ Ｃ Ｉ 研 究 才 有 了较 为丰 硕 的成 果 。 １ ． １ 研 究背 景和 意义 为 神 经肌 肉疾 病 、 中风 或 外 伤 造 成严 重 残 疾 的 患 者 提 供 基 本 生活 保 障 的 目标一 直 是Ｂ Ｃ Ｉ 研 发 的主 要动 力 ，得 益 于 医学 技术 的 发 展 ，很 多疾病 造 成 的严重 神经 、肌 肉受损 的患 者 也可 以存 活很 久 ， 这些 患者 对 于交 流 、移动 性 、 自主神 经功 能 的修 复或 者替 代具 有 常 人难 以理 解 的渴望 、迫 切 需要类 似Ｂ Ｃ Ｉ 的技 术来提 高 生活 品质 。 对于健康的人群，Ｂ Ｃ １ 娱 乐 系 统可 以 带 来前 所 未有 的 感 官体 验 ；对 于 学生 ，Ｂ Ｃ Ｉ 系 统可 以帮助 其 提高 注 意力 或许 有 助 于提 升 学
技 术 的基 本原 理 、研 究方 法、 类型和 研 究现状 ，并分析 了存 在 的 问题 与 应用前 景 。
【 关键词 】 脑机接 口；脑电图；生物 医学信号；数字信号处理
Ｐ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｓ ， Ｓ Ｃ Ｐ ），感觉 运动 节律 （ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｉ ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ ｒ ｈ ｙ ｔ ｈ ｍｓ ，Ｓ ＭＲ）等
２ ． ２ 信 号处理 模块
此 ， 目前 Ｂ Ｃ Ｉ 的 不断深 入研 究 仍具 有 巨大 的 现实 意义 。 １ ． ２ 国 内外 研究 现状 １ ９ ２ ４ 年德 国耶 那 大 学精 神 病 学 教授 Ｈ ａ ｎ ｓ Ｂ ｅ ｒ ｇ ｅ ｒ 发 现 了人类 大 脑 产 生 的 电信 号 可 以从 头 皮 记 录 。２ Ｏ 世纪７ Ｏ 年 代 起 ，研 究 员 就开 始 了对 Ｂ Ｃ Ｉ 的 持 续 研 究 ， 直 到 近２ Ｏ 多 年 ， 人 类对 于 中枢 神 经 系统 （ Ｃ ＮＳ ）的深 入 了解 、系 统设 计 的新理 念 等多 学科 的 发展 和交 叉理 解 ，使 人们 更 容 易实 现Ｂ Ｃ Ｉ 系 统 的研 究 、设计 ，才有 了该领 域 的 飞
信号 采集 模块 是 指用 来采 集大 脑 中能够 准 确反 映 意识 、 思维 的
信号 的设 备 ，根据 人 体生 物医 学信 号 的分类 ，大脑 常 Βιβλιοθήκη Baidu信 号有脑 活 动产 生 的 电、磁信 号 、脑 活动 代 谢信 号 。 电 、磁 信 号具 有 时 间 和 空 间分 辨 率 高 的 特 点 ， 相 比 于脑 磁 图 （ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｅ ｎ ｃ ｅ ｐ ｈ ａ ｌ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ，ＭＥ Ｇ）的设 备成 本 高 、笨 重 、易 受干 扰 的特 点 ，常用脑 电图 （ Ｅ Ｅ Ｇ）来 获取 脑活 动 信息 。在 反 映脑 代谢 信号 中 ，功能 性红 外光 谱成像 和 功能 磁共振 成 像可 用于Ｂ Ｃ Ｉ 系统。 以上 不 同脑信 号 获取 方式 可 以获 得微 观 、 中微 观 、宏 观层 面 的 脑 信 号 ，各有 各 自的优 势和特 点 。
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ０Ｎ Ｉ Ｃ Ｓ ＷＯ Ｒ Ｌ Ｄ・ ｊ ６ ｉ ｉ 与ｊ 孽 ｌ 窝
脑 机 接 口研 究 概 述
武警工程 大 学 李方 博 刘方毅
【 摘要 】 脑机接 口 （ Ｂ Ｃ Ｉ ） 是在人脑和外界之 间建立不依赖于常规大脑信息输出通路 （ 外周神经和肌 肉组织 ）的一种通讯 系统 ，概述了Ｂ ＣＩ
２ Ｂ ＣＩ 系统的构成
为 了 达 到在 人 脑 与 计 算 机 或其 他 电子 设 备 之 间 建 立 直接 的交 流 和 控 制通 道 的 目的 ，Ｂ Ｃ Ｉ 系 统主 要 由三 大模 块 组成 ：信 号采 集模 块 、信号 处理 模块 、控 制器模 块 。
２ ． １ 信 号采 集模 块
习 效 果 ； 对 于 某 些 特种 行业 ，Ｂ Ｃ Ｉ 为 其 提 供 更 多 的 控 制 手 段 。 因
信 号设 计 的 串联或 者 并联 Ｂ Ｃ Ｉ 在 实 用化 取 得丰 硕 成 果 。设计 出利用 Ｐ ３ ０ ０ 事 件相 关 电位成 公检 测 出植物 人残存 意 思 的Ｂ Ｃ Ｉ 。
１ ． ２ ． ２ ＢＣＩ 国 际现状
从 外文 文 献检 索 ｂ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ 相 关文 献 ，２ ０ ０ ０ 年前
论文 数 量 仅有 个位 数 ，２ ０ ０ ３ 年 前不 到 百 篇 ，之 后￣ １ Ｊ ２ ０ １ ６ 年年 均 ３ ８ ８ 篇 ，２ ０ １ １ 年 达 到历史 最 高的７ ３ ２ 篇。 ２ ０ ０ ６ 年 世 界技 术评 估 中 心在 世 界范 围 内对 Ｂ Ｃ Ｉ 相 关 机构 进 行 了 调查 发 现 ，侵 入式 Ｂ Ｃ Ｉ 系统 几 乎全 部集 中在北 美 ， 非侵 入 式主 要来 在 欧洲和 亚洲 。我 国 几乎全 是非 侵入 式 的Ｂ Ｃ Ｉ 研究。