脑机接口技术研究综述
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收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ０６ － ０３ 修 回 日期 ： － ２ ０ １ ３ ． ０ ６ － ２ ０
２ ） 信号处理部分 。脑 电信号 的处理 主要 包括 预处 理 、 特征提 取 和 特 征分 类 ３部 分 。 预处 理 主要
用 于去 除脑 电信 号 中具 有 工频 的杂 波 、 眼电、 心 电 以 及肌 电等信号 的伪 迹 。特 征提取 的 主要作 用是从 脑
关键词 ： 脑 机接 口技 术 ；脑 电信 号 ； 信 息 处理
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ ４
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ５ — ３ ８ ２ ４（ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ０ ５ － ０ ４
０ 引 言
人 类在 不 断地 探 索 了解 大 脑 活动 的奥 妙 ， 尤 其 是 脑 电信号 被发 现 以来 ， 科 学 家 试 图通 过 脑 电信 号
信息交流和控制通道 ， 为 人 脑 和 外 界 之 间提 供 了一 种 全 新 的 交 互 方 式 。 简要 介 绍 了 Ｂ Ｃ Ｉ 技 术 的 定 义 和 基 本 组 成及
发展 现 状 ， 并 对 皮 层 慢 电位 、 视 觉诱 发 电 位 、 眼 动 产 生 的 波 、 Ｐ ３ ０ ０电位 和基 于 运 动 想 象 的 节律 及 ｐ波 ５种 脑机 接 口技 术 的 研 究方 向作 了简要 阐 述 ， 最 后 指 出 目前 Ｂ Ｃ Ｉ 研 究 面临 的 挑 战 及 未 来 的应 用前 景 。
脑 机 接 口技 术 研 究 综 述
李 勃
（ 重庆邮电大学 自动化学 院， 重庆 ４ ０ ０ ０ ６ ５ ）
摘
要： 脑机接 口技 术 （ 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 ）不依赖 于常规 大脑信 息输 出通路 ， 该技 术建立 了一种直接 的
外界 环 境进 行交 流 和沟 通 的途径 。
１ ． ２ 脑 机接 口技术 的组 成
缺点 是无 法保 证脑 内的 电极 长 时期地 保持 结构 和功
能 的稳定 ， 而 且将 电极植 入 脑皮层 内存 在安 全 问题 。
非侵 入式 方法 测量 的是 头 皮 表 面 的脑 电信 号 ， 通 过
将 电极贴 附在 头皮 上 ， 就可 直 接 获 得 人 大脑 活动 产 生 的脑 电信号 ， 易 采集 、 无创 性等 特点 使 之成 为 Ｂ Ｃ Ｉ 技术 研究 的主要方 向。
脑 机接 口技 术是 通 过信 号采 集设 备从 大脑 皮层
采集脑电信号 ， 经过放大 、 滤波、 Ａ ／ Ｄ转换等处理转 换为可以被计算机识别的信号 ， 然后对 信号进行预
与发 展 。
馈环节
１ 脑 机 接 口技 术 简 介
１ ． １ 脑 机 接 口技术 的 内涵
图 １ 脑 机 接 口 技 术 信 号 处 理 结 构 框 图
１ ） 信号采集部 分 。此 部分 负 责通 过相 关设 备采
早在 １ ９ ９ ９年 ， Ｂ Ｃ Ｉ 国际会 议 对 Ｂ Ｃ Ｉ 含 义 进 行 了
了解 大 脑 的活 动 规律 。随 着 计算 机 技 术 、 自动控 制
处理 ， 提取特征信号 ， 再 利 用 这 些 特 征 进 行 模 式 识 别， 最后 转化 为控 制外 部设 备 的具体 指令 ， 实 现对外 部设 备 的控 制 。一个 典型 的脑 机接 口系统 主要 包含 ４个组 成部 分 ： 信 号采 集 部 分 、 信 号处 理 部 分 、 控 制 设备 部 分和反 馈 环 节 。其 中 ， 信 号处 理 部 分 包 括
物学 、 计 算机 、 通信工程 、 心理学 、 临床 医 学 、 数 学 等 学科 。作 为一 项 跨 学 科 的 技 术 ， Ｂ Ｃ Ｉ 系 统 的 研 究 与 开发 需要 各行 各 业 专 业 人 员 的 配 合 ， 同 时 随着 Ｂ Ｃ Ｉ 技 术 研究 的不 断 深入 ， 也必 将 推 动这 些 学 科 的融 合
６
数
字
通
信
第４ ０卷
电信 号 中提取 出能 够反 映受试 者不 同思 维状 态 的脑
电特 征 ， 将 其 转 换 为 特 征 向量 作 为 分 类 器 的输 入 。
外周 神 经 和 肌 肉组 成 的输 出通 路 的 通 讯 系 统 ” ，
它绕 开 了外 周神 经 和 肌 肉组 织 ， 直 接 为 大 脑 提供 一 种新 的信息 交 流和 控 制 通 路 ， 为 那 些 不 能 通 过说 话 或肢 体 动作 来表 达想 法 或操作 设 备 的人提 供一 种 与
预处 理 、 特征提 取 、 特征 分类 ３个环 节 。脑机 接 口的
结构框 图如 图 １ 所示 。
Baidu Nhomakorabea
技术 、 通信 技术 、 电子技术 、 人 体解 剖 学 、 心 理学 等学 科 的发 展 ， 出现 了一 个 新 的研 究 领 域—— 脑 机 接 口
技术 。Ｂ Ｃ Ｉ的研 究 涉 及 的 领 域 广 泛 ， 主 要 涉 及 生
第４ Ｏ卷第 ４期
２ ０ １ ３年 ８月 ２ ５日
数
字
通
信
Ｖｏ ｌ ４０，Ｎｏ ． ４
Ｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ Ｃｏ ｍｍｕｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ａｕ ｇ ．２ ５ ２ ０ １ ３
５
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ３ ８ ２ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ２
集大脑活动产生 的电信号。 目前 ， 对脑电信号 的采
集 主要 有 ２种 方 法 ： 侵 入 式 和 非 侵入 式 。侵入 式 方 法是 将 电极插 入 脑皮 层 下 ， 该 方 法 采 集 的 大脑 神 经
元上 的脑 电信 号 具 有 较 高 的精 度 ， 而 且 噪声 较 小 。
界定 ， 即“ 脑 机 接 口技 术 是 一 种 不 依 赖 于 正 常 的 由
２ ） 信号处理部分 。脑 电信号 的处理 主要 包括 预处 理 、 特征提 取 和 特 征分 类 ３部 分 。 预处 理 主要
用 于去 除脑 电信 号 中具 有 工频 的杂 波 、 眼电、 心 电 以 及肌 电等信号 的伪 迹 。特 征提取 的 主要作 用是从 脑
关键词 ： 脑 机接 口技 术 ；脑 电信 号 ； 信 息 处理
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ ４
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ５ — ３ ８ ２ ４（ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ０ ５ － ０ ４
０ 引 言
人 类在 不 断地 探 索 了解 大 脑 活动 的奥 妙 ， 尤 其 是 脑 电信号 被发 现 以来 ， 科 学 家 试 图通 过 脑 电信 号
信息交流和控制通道 ， 为 人 脑 和 外 界 之 间提 供 了一 种 全 新 的 交 互 方 式 。 简要 介 绍 了 Ｂ Ｃ Ｉ 技 术 的 定 义 和 基 本 组 成及
发展 现 状 ， 并 对 皮 层 慢 电位 、 视 觉诱 发 电 位 、 眼 动 产 生 的 波 、 Ｐ ３ ０ ０电位 和基 于 运 动 想 象 的 节律 及 ｐ波 ５种 脑机 接 口技 术 的 研 究方 向作 了简要 阐 述 ， 最 后 指 出 目前 Ｂ Ｃ Ｉ 研 究 面临 的 挑 战 及 未 来 的应 用前 景 。
脑 机 接 口技 术 研 究 综 述
李 勃
（ 重庆邮电大学 自动化学 院， 重庆 ４ ０ ０ ０ ６ ５ ）
摘
要： 脑机接 口技 术 （ 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 ）不依赖 于常规 大脑信 息输 出通路 ， 该技 术建立 了一种直接 的
外界 环 境进 行交 流 和沟 通 的途径 。
１ ． ２ 脑 机接 口技术 的组 成
缺点 是无 法保 证脑 内的 电极 长 时期地 保持 结构 和功
能 的稳定 ， 而 且将 电极植 入 脑皮层 内存 在安 全 问题 。
非侵 入式 方法 测量 的是 头 皮 表 面 的脑 电信 号 ， 通 过
将 电极贴 附在 头皮 上 ， 就可 直 接 获 得 人 大脑 活动 产 生 的脑 电信号 ， 易 采集 、 无创 性等 特点 使 之成 为 Ｂ Ｃ Ｉ 技术 研究 的主要方 向。
脑 机接 口技 术是 通 过信 号采 集设 备从 大脑 皮层
采集脑电信号 ， 经过放大 、 滤波、 Ａ ／ Ｄ转换等处理转 换为可以被计算机识别的信号 ， 然后对 信号进行预
与发 展 。
馈环节
１ 脑 机 接 口技 术 简 介
１ ． １ 脑 机 接 口技术 的 内涵
图 １ 脑 机 接 口 技 术 信 号 处 理 结 构 框 图
１ ） 信号采集部 分 。此 部分 负 责通 过相 关设 备采
早在 １ ９ ９ ９年 ， Ｂ Ｃ Ｉ 国际会 议 对 Ｂ Ｃ Ｉ 含 义 进 行 了
了解 大 脑 的活 动 规律 。随 着 计算 机 技 术 、 自动控 制
处理 ， 提取特征信号 ， 再 利 用 这 些 特 征 进 行 模 式 识 别， 最后 转化 为控 制外 部设 备 的具体 指令 ， 实 现对外 部设 备 的控 制 。一个 典型 的脑 机接 口系统 主要 包含 ４个组 成部 分 ： 信 号采 集 部 分 、 信 号处 理 部 分 、 控 制 设备 部 分和反 馈 环 节 。其 中 ， 信 号处 理 部 分 包 括
物学 、 计 算机 、 通信工程 、 心理学 、 临床 医 学 、 数 学 等 学科 。作 为一 项 跨 学 科 的 技 术 ， Ｂ Ｃ Ｉ 系 统 的 研 究 与 开发 需要 各行 各 业 专 业 人 员 的 配 合 ， 同 时 随着 Ｂ Ｃ Ｉ 技 术 研究 的不 断 深入 ， 也必 将 推 动这 些 学 科 的融 合
６
数
字
通
信
第４ ０卷
电信 号 中提取 出能 够反 映受试 者不 同思 维状 态 的脑
电特 征 ， 将 其 转 换 为 特 征 向量 作 为 分 类 器 的输 入 。
外周 神 经 和 肌 肉组 成 的输 出通 路 的 通 讯 系 统 ” ，
它绕 开 了外 周神 经 和 肌 肉组 织 ， 直 接 为 大 脑 提供 一 种新 的信息 交 流和 控 制 通 路 ， 为 那 些 不 能 通 过说 话 或肢 体 动作 来表 达想 法 或操作 设 备 的人提 供一 种 与
预处 理 、 特征提 取 、 特征 分类 ３个环 节 。脑机 接 口的
结构框 图如 图 １ 所示 。
Baidu Nhomakorabea
技术 、 通信 技术 、 电子技术 、 人 体解 剖 学 、 心 理学 等学 科 的发 展 ， 出现 了一 个 新 的研 究 领 域—— 脑 机 接 口
技术 。Ｂ Ｃ Ｉ的研 究 涉 及 的 领 域 广 泛 ， 主 要 涉 及 生
第４ Ｏ卷第 ４期
２ ０ １ ３年 ８月 ２ ５日
数
字
通
信
Ｖｏ ｌ ４０，Ｎｏ ． ４
Ｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ Ｃｏ ｍｍｕｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ａｕ ｇ ．２ ５ ２ ０ １ ３
５
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ３ ８ ２ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ２
集大脑活动产生 的电信号。 目前 ， 对脑电信号 的采
集 主要 有 ２种 方 法 ： 侵 入 式 和 非 侵入 式 。侵入 式 方 法是 将 电极插 入 脑皮 层 下 ， 该 方 法 采 集 的 大脑 神 经
元上 的脑 电信 号 具 有 较 高 的精 度 ， 而 且 噪声 较 小 。
界定 ， 即“ 脑 机 接 口技 术 是 一 种 不 依 赖 于 正 常 的 由