脑机接口的原理、研究进展及应用前景

脑机接口的原理、研究进展及应用前景

作者：朱洁儒

来源：《科学与财富》2017年第24期

摘要：近十几年来，脑机接口得到迅速发展并且得到广泛的应用。本文综述了脑机接口的原理、种类和分类以及脑机接口的研究进展，最后对脑机接口的应用做了切合实际的展望。

关键词：脑机接口原理研究进展应用前景

许多疾病会破坏人脑的神经肌肉通道从而阻碍了人脑与外界通信或控制外部环境，而脑机接口可以通过分析脑电来识别大脑正在进行的各种思维活动以及意图，从而可以使那些丧失外周神经肌肉控制能力的患者能够与外部世界进行交流，使大多数残疾人恢复原本的能力和功能。

一、脑机接口

（一）脑机接口的概念

BCI正成为脑科学、康复工程、生物医学工程及人机自动控制研巧领域的一个研究热点。它不依赖于脑的外周神经和肌肉输出信息，而在大脑与外部设备之间建立的直接的交流通道，以弥补人类的某些缺陷或不足。

（二）脑机接口的原理

BCI系统应该能够实现信息的双向传递，但是目前对于BCI研究更多的是将大脑信号作为输入，外部设备作为输出。完整的脑机接口系统主要由H大模块组成输入（信号采集及预处理）、信号处理（输入转为输出）、输出（机器能识别的指令），最重要的是第二大模块即信号处理。

信号采集

受试者头部戴一个电极帽（盘装或支架型电极），采集脑电（EEG）信号，通过导联线传送给放大器，经过预处理，并将信号放大10000倍左右，包括信号的滤波（高低通滤波）和

A/D转换，将采集信号信号转化为数字信号并存储于计算机中。

脑电信号作为BCI输入信号，都具有各自的特点，主要有以下几种：

第一，视觉诱发电位（VEP），是视觉器官受到光或图形刺激后，在大脑特定部位所记录的EEG电位变化。第二，稳态视觉诱发电位（SSVEP），是特定频率段视觉刺激引发的脑电

变化，可以通过刺激调整脑电变化幅度，从而达到控制外界的目的。第三，事件相关同步/去同步电位，单边的肢体运动或想象运动，对侧脑区产生事件相关去同步电位（ERD），同侧脑区产生事件相关同步电位（ERS）。

（三）脑机接口的分类

BCI系统有多种分类方式：

1.有创伤系统和无创伤系统

按照信号获取的位置可分为有创伤系统和无创伤系统两种。有创伤系统需要将电极放置于大脑内部，采集大脑内部的电信号，此法更精确，但有一定创伤风险；无创伤系统；毋需动手术，只需在受试者头上戴上电极帽以记录EEG信号，没有创伤风险[12]但同时精确度下降。

2.同步系统和异步系统

按照信号控制的方式不同可分为同步系统和异步系统。同步系统要求受试者必须在特定的时间产生特定的思维意识，这样便于信号分析；异步BCI系统则不受时间的限制，随时思维意识，系统自动判定并完成相应的控制，受试者可以随心所欲通过思维来完成对外界的控制[12]。

3.在线系统和离线系统

根据信号处理的实时性可分为在线系统和离线系统。在线BCI系统中，实时实现信号采样、处理、分析和控制，同时给受试者反馈；离线BCI系统实时记录EEG数据，一般用来评估测试和抽取特征量[12 ，20]。

二、脑机接口的研究进展

（一）基于α波、μ节律和β节律的BCI系统

1.基于α波的BCI系统[12，20 -22]

1967年Dewan利用眼球运动产生的波幅度调节应用于morse电报电码的发送。2005年王黎等人利用自发的α波对人类疲劳状态进行评估。2008年。赵丽等人利用α波实现了对服务机器人的控制。

2.基于μ节律和β节律的BCI系统[12， 20-21]

在1999年就有学者利用μ节律和β节律控制假肢运动，2005年Tanaka等人利用μ节律和β节律实现了智能轮椅的左转和右转。2010-2012年不断有学者利用这两种节律研究不同类系的运动想象产生的脑电信号。

（二）基于慢皮层电位的BCI系统

1999年Kubler等人通过SCO提取控制信号，成功实现水平或垂直的移动电脑屏幕上的光标[21]。2003年BirbaumerN等人利用慢皮层电位设计了名为思想翻译器（TTD）的装置，通过慢皮层电位（SCP）的变化来实现对外界的控制，使用视觉反馈，实现了字母拼写等功能，开关控制甚至上网等准确率大于75%[23-24]。

（三）基于P300电位的BCI系统

1988年Farwell和Donch采用P300诱发电位作为BCI信号输入设计出虚拟打字机，从

P300诱发电位中“找到”特定字母[25]。2005年Serby等设计的BCI采用了不同的信号处理方法也达到了92.1%的准确率[26]。

脑机接口的研究在这十几年的时间里获得了迅猛的发展，但是脑机接口的研究需要计算机科学机科学、神经生物学、数学、智能控制等各个相关学科的不断发展与融合，才能获得更加广阔的前景，会面临更大的挑战但同时也获得更大的成就。

三、应用前景

（一）在医学方面的应用

在医学领域中，BCI可以帮助肢体障碍患者提高他们的生活质量。现有的研究成功表明，肢体残障患者恢复其受损的功能已不是遥不可及。

1.控制周围环境，实现简单的通信

通过BCI能够使用电脑浏览网页、拨打电话和模拟阅读等。通过BCI可以控制轮椅、开门、开灯等[12] 。1999 年Chapin 等人用人工神经网络算法将大鼠运动皮层神经集群电信号转换为水泵控制指令，首次实现了大脑对外部设备的直接控制[30]。

2.生物体神经“修复”

通过BCI控制康复机器人的方法，辅助伤残人士进行运动功能重建和生活自理。

（1）感觉功能修复

（2）言语功能的康复

（二）在医学以外的其它方面的应用[12]

虽然目前BCI系统主要应用于医学领域，特别是为残疾人提供帮助，但是BCI的用途决不仅仅限于在医学领域中应用，在其它诸多领域都可以得到广泛的应用。

（1）特殊环境作业。例如，宇航员可以应用BCI监控远距离的仪器设备；通过操控机器人在危险或不适宜人工操作的环境中代替人类工作。

（2）BCI以为电子游戏提供附加控制。当前流行的电子游戏是要操作者靠鼠标、键盘或操纵杆来进行操作的，如果能够实现靠“思想”就能完成控制的电子游戏，一定会吸引更多的游戏爱好者。

（3）在艺术领域。例如生物收音机、人脑化音乐设备等。

（4）生物身份识别。

四、结论

在过去的十几年中，BCI的研究发展十分迅猛，人们可以利用BCI直接用脑电信号来表达思想、控制设备，随着计算机科学、神经生物学、数学、智能控制等各个相关学科的不断发展与融合。

参考文献：

[1]Penfield W， Jasper H. Epilepsy and the functional anatomy of the human brain.[J]. Southern Medical Journal， 1954， 47（7）：64.

[2]Wolpaw J R， Mcfarland D J， Vaughan T M. Brain-computer interface research at the Wadsworth Center.[J]. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering A Publication of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society， 2000， 8（2）：222.

[3]朱华. 非语言沟通在脑卒中交流障碍患者中的应用[J]. 基层医学论坛， 2007， 11（24）：1128-1129.

[4]胡剑锋. 未来不是梦——脑机接口综述[J]. 江西蓝天学院学报， 2006（2）：81-88.